2.Harmonik - Ermes Elektrik

Güç Kalitesi Uygulama K›lavuzu
LEONARDO
POWER
QUALITY
INITIATIVE
Harmonikler
Gerçek KOD - Tek Gerçek Ölçü
3.2.2
3
Tepe de¤er
Tepe faktörü
2
Form faktörü
0
-1
-2
-3
ELEKTROL‹T‹K BAKIR SANAY‹‹ VE T‹CARET A.fi.
0
90
180
270
360
Harmonikler
Gerçek KOD de¤eri
Ortalama KOD ölçümü
Ortalama de¤er
1
Harmonikler
Gerçek KOD - Tek Gerçek Ölçü
Ken West
Fluke (UK) Ltd.
Nisan 2002
LEONARDO
POWER
QUALITY
INITIATIVE
Leonardo Power Quality ‹nitiative
Leonardo Elektrik Enerjisinde Kalite Giriflimi’nin (LPQI, Leonardo Power
Quality Initiative) bir bölümü olan bu K›lavuz, Avrupa Komisyonu
(Leonardo da Vinci Program› alt›nda) ve International Copper Development Association taraf›ndan
desteklenen bir ö¤retim ve e¤itim program›d›r.
Sarkuysan Elektrolitik Bak›r Sanayi ve Ticaret A.fi.
Elektrolitik bak›r ve ürünleri üretmek üzere 1972 y›l›nda kurulmufl
olan SARKUYSAN A.fi. günümüzde her türlü elektrolitik bak›r tel,
lama ve bak›r boru üretimi konular›nda dünyan›n önde gelen kurulufllar› aras›nda yer almaktad›r.
ELEKTROL‹T‹K BAKIR SANAY‹‹ VE T‹CARET A.fi.
SARKUYSAN A.fi., toplam kalite felsefesi çerçevesinde tafl›d›¤› toplumsal sorumlulu¤un bir gere¤i
olarak, elektrik sektöründe kullan›lan bak›r ürünlerinin bilinçli kullan›m›na katk›da bulunmak üzere
Avrupa Bak›r Enstitüsü liderli¤inde yürütülen "Elektrik Enerjisinde Kalite Projesi"nin Türkiye koordinatörlü¤ünü üslenmifl bulunmaktad›r.
Avrupa Bak›r Enstitüsü (ECI, European Copper Institute)
Avrupa Bak›r Enstitüsü, IWCC (International Wrought Copper Counsil)
ve ICA (International Copper Association) taraf›ndan oluflturulan bir
ortak giriflimdir. ECI dünyan›n ve Avrupa’n›n önde gelen bak›r üreticileri ad›na hareket eder ve Avrupa’da bak›r kullan›m›n› özendirici
faaliyetlerde bulunur. Ocak 1996 tarihinde kurulan ECI; Benelux, Fransa, Almanya, Yunanistan,
Macaristan, ‹talya, Polanya, ‹skandinavya, ‹spanya ve ‹ngiltere olmak üzere on Avrupa ülkesindeki
Bak›r Gelifltirme Dernekleri (CDAs, Copper Development Associations) taraf›ndan desteklenmektedir.
Daha önce 1959 y›l›nda kurulan Copper Products Development Association ile 1961 y›l›nda kurulan
International Copper Research Association (INCRA) taraf›ndan bafllat›lan faaliyetler ECI bünyesinde
devam ettirilmektedir.
Sorumluluk
Sarkuysan Elektrolitik Bak›r Sanayi ve Ticaret A.fi. ve Avrupa Bak›r Enstitüsü, bu yay›nda yeralan bilgilerin veya verilerin kullan›lmas›ndan veya yanl›fl kullan›lmas›ndan do¤abilecek sonuçlardan ve
hertürlü olumsuzluklardan do¤rudan veya dolayl› olarak sorumlu tutulamaz.
Bas›m ve yay›n hakk› ©, Sarkuysan Elektrolitik Bak›r Sanayi ve Ticaret A.fi.’ne aittir.
De¤ifliklik yap›lmadan ve kaynak gösterilerek ço¤alt›labilir.
Avrupa Bak›r Enstitüsü Türkiye Partnerleri:
Kaynak Yay›n Tan›t›m Reklam
San. ve Tic. Ltd. fiti.
Nexans ‹letiflim
Endüstri ve Ticaret A.fi.
Türk Pirelli
Kablo ve Sistemleri A.fi.
Harmonikler
Gerçek KOD (RMS) – Tek Gerçek Ölçü
Devre kesicilerde meydana gelen beklenmedik aç›lmalar ticari ve endüstriyel tesislerin ço¤u
için önemli problem kayna¤›d›r. Aç›klanamayan ve rastgele ortaya ç›kan bu aç›lmalar›n her
zaman için bir nedeni olmas› gerekir. Problemin en çok karfl›lafl›lan iki nedeni vard›r. Birinci
muhtemel neden, özellikle kiflisel bilgisayarlar ve di¤er elektronik cihazlar gibi baz› yüklerin
devreye girmesi s›ras›nda ortaya ç›kan afl›r› ak›mlard›r, bu konu K›lavuz’un daha sonraki bir
bölümünde tart›fl›lm›flt›r. ‹kinci muhtemel neden ise devreden geçen ak›m›n çok daha yüksek
olan gerçek de¤erinden farkl› ölçülmesidir.
Gerçek ak›m de¤erinin düflük ölçülmesi modern tesislerde bile s›k s›k meydana gelen bir
olayd›r –sa¤l›kl› ölçüm yapan güvenilir dijital test aletlerine ra¤men neden yanl›fl ölçümler
yap›lmaktad›r? Kullan›lan ölçü aletlerinin, ço¤unlukla, dalga flekli bozulmufl ak›mlar›n ölçülmesi için uygun olmamas› bu sorunun cevab› olmaktad›r– ve günümüzdeki ak›mlar›n ço¤u dalga
flekli bozulmufl ak›mlard›r.
Dalga flekli bozulmufl ak›m, özellikle kiflisel bilgisayarlar, elektronik balastl› fllüoresan lambalar ve de¤iflken h›zl› sürücüler gibi do¤rusal olmayan yükler taraf›ndan çekilen harmonik
ak›mlardan kaynaklanmaktad›r. Harmoniklerin oluflumu ve tesisat üzerindeki etkileri Bölüm
3.1’de verilmifltir. fiekil 3’te, bir bilgisayar›n çekti¤i tipik bir ak›m dalga flekli görülmektedir.
Aç›kça görüldü¤ü gibi bu bir sinüs e¤risi de¤ildir ve sinüs e¤risi ölçen aletler kullan›larak ölçüm
ve hesaplama yap›lamaz. Bu nedenle, güç sistemlerinin performans analizi ve problem çözümlemelerinde sinüzoid d›fl› ak›m ve gerilim ölçümlerinde uygun, do¤ru cihazlar›n kullan›lmas› son
derece önemlidir.
fiekil 1- Bir ak›m - iki ölçüm. Hangisi güvenilir? Yukar›da, bozuk ak›ml› do¤rusal olmayan
yükün beslendi¤i bir devre görülmektedir. Gerçek KOD pensi (solda) do¤ru de¤eri göstermekte,
fakat, ortalamay› gösteren sa¤daki pens ise % 32 daha düflük bir de¤er göstermektedir.
1
Gerçek KOD – Tek Gerçek Ölçü
fiekil 1’de ayn› devrede iki adet kenetli ölçü aleti görülmektedir. Her iki alet de imalatç› firma
flartnamelerine göre kalibre edilmifl olup, do¤ru çal›flmaktad›r. Aradaki fark›n esas› aletlerin
yapt›¤› ölçümlerden ileri gelmektedir.
Soldaki ölçü aleti bir gerçek KOD aleti olup, sa¤daki ise ortalamay› gösteren KOD kalibreli bir
alettir. Fark›n tam olarak anlafl›lmas› bak›m›ndan KOD anlam›n›n aç›klanmas› gerekir.
KOD nedir?
Bir alternatif ak›m›n Karesel Ortalama De¤eri (Root Mean Square), belli bir direnç fleklindeki
yükte ayn› miktarda ›s› meydana getiren do¤ru ak›m›n de¤eridir. Alternatif ak›m›n bir dirençte
meydana getirdi¤i ›s› miktar›, dalga fleklinin tam bir devrindeki ak›m ortalamas›n›n karesi ile
orant›l›d›r. Di¤er bir ifade ile; oluflan ›s›, karesel ortalama ile orant›l›d›r, dolay›s›yle ak›m de¤eri
karesel ortalaman›n karekökü ile yani KOD ile orant›l› olmaktad›r. (Kare al›nd›¤› için sonuç
daima pozitiftir, bu nedenle polarite sözkonusu olmaz.)
fiekil 2’de görülen ideal bir sinüs e¤risi için KOD de¤eri, tepe de¤erin 0.707 kat›d›r (veya tepe
de¤eri √2 ‘dir, veya 1.414 çarp› KOD de¤eridir). Di¤er bir ifade ile, KOD de¤eri 1 Amper olan ideal
sinüs e¤risi ak›m›n›n tepe de¤eri 1.414 Amper olacakt›r. Bir dalga formunun bütününün ortalamas› (negatif yar›m devir ters çevrilerek) al›nd›¤›nda ortalama de¤er, tepe de¤erin 0.636 kat›,
veya KOD de¤erin 0.9 kat› olur. fiekil 2’de iki önemli oran vard›r:
Tepe faktörü = Tepe de¤er =1.414 ve Form faktörü = KOD de¤eri =1.111
KOD de¤eri
Ortalama de¤er
3
2
Tepe de¤er= 1.414
Gerçek KOD de¤eri= ortalama KOD ölçümü= 1.0
Form faktörü= 1.11
1
0
0
90
180
270
360
-1
-2
-3
fiekil 2- ‹deal sinüs e¤risi
‹deal sinüs e¤risinin ölçülmesinde – sadece ideal bir sinüs e¤risi için– basit bir ölçüm
yap›larak ortalama de¤er (0.636 x tepe) bulunur ve form faktörü (1.111) ile çarp›larak ( tepe
de¤erin 0.707 ile çarp›m› demektir) KOD de¤eri elde edilir. Tüm analog (ortalama, sarg› hareketinin ataleti ile belirlenmektedir) ölçü aletlerinde, eski ve yeni dijital multimetrelerin ço¤unda bu
yaklafl›m esas al›n›r. Bu teknik, ‘KOD kalibreli ortalama ölçüm’ tekni¤i olarak tan›mlanmaktad›r.
Söz konusu yaklafl›m sadece ideal sinüs formu için geçerlidir, ancak gerçek uygulamalarda
ideal sinüs e¤risi yoktur. fiekil 3’te verilen ak›m dalgaformu bilgisayarda çizilmifltir. Buradaki
gerçek KOD de¤eri 1 Amper’dir, ancak tepe de¤er çok daha yüksek (2.6 Amper) civar›ndad›r ve
ortalama de¤er ise çok daha düflüktür (0.55 Amper).
2
Gerçek KOD – Tek Gerçek Ölçü
3
Tepe de¤er= 2.6
Tepe faktörü= 2.6
2
Form faktörü= 1.82
Gerçek KOD de¤eri= 1.0
1
Ortalama KOD ölçümü= 0.61
Ortalama de¤er= 0.55
0
0
90
180
360
270
-1
-2
-3
fiekil 3- Bir bilgisayar›n çekti¤i ak›m›n tipik dalga flekli
Bu dalga flekli için ölçüm bir KOD kalibreli ortalama ölçüm cihaz› ile yap›ld›¤›nda, 1 Amper
olan gerçek de¤er yerine 0.61 Amper civar›nda yaklafl›k %40 kadar daha düflük bir de¤er okunacakt›r. Farkl› dalga flekillerinin iki farkl› tip ölçü aleti ile yap›lan ölçümlerine ait örnekler
Tablo 1’de verilmektedir.
Gerçek KOD ölçen bir alet ölçüm an›ndaki ak›m de¤erinin karesini ve zamana göre ortalamas›n› al›r ve bu ortalaman›n karekökünü ekranda gösterir. Güvenilirli¤i tam olmak kayd›yle,
dalga flekli ne olursa olsun aletin gösterdi¤i sonuç kesinlikle do¤rudur. Güvenilirlik hiçbir zaman
mükemmel olmayaca¤›ndan iki faktörün gözönünde tutulmas› gerekir; bunlardan biri frekans,
di¤eri de tepe faktörüdür.
Güç sistemlerinde, genel olarak 50’nci harmoniklere, örne¤in 2500 Hz frekansa kadar ölçüm
yapmak yeterli olmaktad›r. Tepe de¤er ile KOD de¤eri aras›ndaki oran› gösteren tepe faktörü, kullan›lacak ölçüm aletinin seçimi aç›s›ndan önemlidir; tepe faktörünün yüksek olmas› halinde
dinamik aral›¤› genifl ve dolay›s›yle çevrim devre hassasiyeti yüksek bir aletin kullan›lmas›
gerekir. Tepe faktörü büyüklü¤ü en az üç olmal›d›r.
‹ki tip ölçü aleti, bozuk dalga flekillerinin ölçümünde farkl› sonuçlar vermelerine karfl›n ideal
sinüs flekli ölçümlerinde ayn› sonucu verirler. Asl›nda ölçü aletleri bu flekilde kalibre edilmektedir ve her ölçü aletinin kalibrasyon onayl› - ancak sadece sinüs flekilleri için kullan›lmak üzere olmas› gerekir.
Gerçek KOD ölçüm aletleri yaklafl›k 30 y›ld›r kullan›lmaktad›r, bafllang›çta özel ve pahal› olan
bu aletler elektronikteki geliflmeler paralelinde, gerçek KOD de¤erini sa¤l›kl› ölçebilen tafl›nabilir
multimetreler olarak gelifltirilmifltir. Gelifltirilmifl kaliteli aletler sadece belli bafll› firmalar
taraf›ndan imal edilmekle birlikte her zaman herkes taraf›ndan ucuz bir fiyatla temin edilebilir.
Multimetre
tipi
Sinüs e¤risine
cevap
Kare dalgaya
cevap
Tek faz diyot
redresöre
cevap
3Ø diyot redresöre
cevap
Ortalama cevapl›
Do¤ru
Yüzde 10 yüksek
Yüzde 40 düflük
Yüzde 5-30 düflük
Gerçek KOD
Do¤ru
Do¤ru
Do¤ru
Do¤ru
Tablo 1- Ortalama ve gerçek KOD karfl›laflt›rmas›
3
Gerçek KOD - Tek Gerçek Ölçü
Düflük ölçümlerin yol açt›¤› sonuçlar
Elektrik devre elemanlar› genellikle, afl›r› ›s›nma öncesindeki ›s› kay›plar›na göre
s›n›fland›r›l›rlar.
Örne¤in; kablolar, kullan›lacaklar› tesisattaki özel koflullar ve maksimum çal›flma s›cakl›¤›
dikkate al›narak s›n›fland›r›lmakta ve seçilmektedir. Harmoniklerle kirlenmifl ak›mlar›n KOD
de¤eri, ortalamay› gösteren bir aletle ölçülen de¤erden daha yüksek olaca¤›ndan, gere¤inden
daha küçük kablo seçimi yap›lacak ve kullan›m s›ras›nda kabloda afl›r› ›s›nma meydana gelecektir. Do¤al olarak kablo izolasyonu zarar görecek, kablonun ömrü k›salacak ve yang›n riski ortaya
ç›kacakt›r.
Benzer flekilde; busbarlar, baralardan konveksiyon ve radyasyon yoluyla yay›l›p kaybolan ›s›
ile baralar›n direnci nedeniyle oluflan ›s› hesaplanarak ölçülendirilmektedirler. Bu ›s› transferi ile
›s›nman›n birbirine eflit oldu¤u s›cakl›k busbarlar›n çal›flma s›cakl›¤›d›r. Bu flekilde yap›lan
hesaplama ve ölçülendirme neticesinde izolasyon ve di¤er destek malzemelerinin erken ar›za
yapmalar› önlenmektedir. Aynen kablolarda oldu¤u gibi, gerçek KOD de¤erinin hatal› ölçülmesi
daha yüksek çal›flma s›cakl›klar›na yol açacakt›r. Öte yandan, kablolara k›yasla busbarlar›n
fiziksel ölçüleri daha büyük oldu¤undan deri olay› (skin effect) kendini daha çok gösterecek ve
çal›flma s›cakl›klar›nda ilave yükselmeye neden olacakt›r.
Sigortalar ve devre kesicilerin termal elemanlar› gibi elektrik güç sistemlerinde yer alan di¤er
komponentler de ›s› transfer özelliklerine göre s›n›fland›r›ld›klar›ndan bunlar›n seçiminde de
KOD ak›m› esas al›nmaktad›r. Beklenmedik devre aç›lmalar›n›n temel nedeni burada yatmaktad›r
- ak›m beklenilenden daha yüksektir, böyle bir ortamda uzun zaman çal›flan bir devre kesicisinin
aç›lmas› do¤al karfl›lanmal›d›r. Zira, devre kesiciler ›s›ya karfl› hassast›rlar ve ne zaman aç›lacaklar› önceden bilinemez. Neticede; karfl› karfl›ya kal›nan maddi kay›plar çok yüksek olabilir, bilgisayar sistemlerinde veri kay›plar› meydana gelir, ifllemler kontrol d›fl› kal›r,vs. Bu konular
K›lavuz’un 2. Bölümünde tart›fl›lm›flt›r.
Aç›kça görüldü¤ü gibi, sadece gerçek KOD aletleri ile do¤ru ölçümler yap›larak gerekli kablo,
busbar ve devre kesicisi seçilebilir. Önemli olan, ‘Bu alet bir gerçek KOD ölçü aleti midir?’
sorusunu sormakt›r. Bir aletin gerçek KOD ölçü aleti olup olmad›¤› ürün tan›t›m metinlerinde
yaz›l›d›r.Ancak ihtiyaç an›nda el alt›nda olmayabilir. Sorunun en do¤ru cevab›, ortalamay› veya
gerçek KOD de¤erini gösterir, bilinen bir aletle, ak›m ölçümleri yaparak sonuçlar› k›yaslamakt›r.
Örne¤in bir PC’de veya bir filamanl› lambada oldu¤u gibi. Filamanl› lambada her iki aletle yap›lan
ölçümlerin ayn› ak›m de¤erini göstermesi gerekir. fiayet aletlerden bir tanesi ile PC’de yap›lan
ölçüm, di¤er alet ile yap›lan ölçümden önemli ölçüde yüksek (örne¤in %20’den fazla) ak›m gösteriyorsa, bu alet büyük ihtimalle bir gerçek KOD ölçü aletidir. Aletlerin her ikisi de benzer
de¤erler gösterirse, aletler ayn› tip aletlerdir.
Sonuç
Önemli say›da do¤rusal olmayan yüklerin (PC’ler, elektronik balastlar, kompakt flüoresan
lambalar, vs) bulundu¤u bir tesisatta gerçek KOD ölçümü yapmak flartt›r. Ortalama de¤eri
gösteren aletler %40’a varan bir oranda daha düflük de¤erler verir ve kablolar›n, devre kesicilerin
yanl›fl seçimine, dolayas›yle de riskli sonuçlar›n ve devre aç›lmalar›n›n meydana gelmesine neden
olur.
4
Referans & Kurucu Partnerler
European Copper Institute
Engineering Consulting & Design
(ECI)
(ECD)
Web: www.eurocopper.org
Web: www.ecd.it
Web: www.agh.edu.pl
Hochschule für Technik und
Wirtschaft
(HTW)
Centre d’Innovació Tecnològica en
(ETSII)
Web: www.etsii.upm.es
Akademia Gornicza-Hutnicza
(AGH)
La Escuela Técnica Superior de
Ingenieros Industriales
Web: www.htw-saarland.de
Polish Copper Promotion Centre
(PCPC)
Web: www.miedz.org.pl
Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Istituto Italiano del Rame
Web: www-citcea.upc.es
(IIR)
Comitato Elettrotecnico Italiano
Web: www.iir.it
(CEI)
Web: www.celuni.it
Provinciale Industriele Hogescholl
(PIH)
Web: www.pih.be
Università di Bergamo
International Union of
Web: www.unibg.it
Electrotechnology
Copper Benelux
(UIE)
Web: www.copperbenelux.org
Web: www.uie.org
University of Bath
Web: www.bath.ac.uk
Copper Development Association
(CDA UK)
ISR-Universidade de Coimbra
University of Manchester Institute of
Web: www.cda.org.uk
Web: www.uc.pt
Deutsches Kupferinstitut
Katholieke Universiteit Leuven
(DKI)
(KU Leuven)
Wroclow University of Technology
Web: www.kupferinstitut.de
Web: www.kuleuven.ac.be
Web: www.pwr.wroc.pl
Science and Technology (UMIST)
Web: www.umist.ac.uk
Yay›n Kurulu
David Chapman (Chief Editor)
CDA UK
[email protected]
Prof. Angelo Baggini
Università di Bergamo
[email protected]
Dr. Araceli Hernàdez Bayo
ETSII-Universidad Politécnica de Madrid
[email protected]
Prof. Ronnie Belmans
UIE
[email protected]
Franco Bua
ECD
[email protected]
Prof. Anibal de Almeida
ISR-Universidade de Coimbra
[email protected]
Hans De Keulenaer
ECI
[email protected]
Gregory Delaere
Lemcko
[email protected]
Prof. Jan Desmet
Hogescholl West-Vlaanderen
[email protected]
Dipl-Ing Marcel Didden
KU Leuven
[email protected]
Dr. Johan Driesen
KU Leuven
[email protected]
Stefan Fassbinder
DKI
[email protected]
Prof. Zbigniew Hanzelka
Akademia Gorniczo-Hutnicza
[email protected]
Dr. Antoni Klajn
Wroclaw University of Technology
[email protected]
Reiner Kreutzer
HTW
[email protected]
Prof. Wolfgang Langguth
HTW
[email protected]
Jonathan Manson
Gorham & Partners Ltd.
[email protected]
Prof. Henryk Markiewicz
Wroclaw University of Technology
[email protected]
Carlo Masetti
CEI
[email protected]
Dr. Jovica Milanovic
UMIST
[email protected]
Dr. Miles Redfern
University of Bath
[email protected]
Andreas Sumper
CITCEA
[email protected]
Roman Targosz
PCPC
[email protected]
Ken West
ELEKTROL‹T‹K BAKIR SANAY‹‹ VE T‹CARET A.fi.
Merkez:
Sarkuysan ‹fl Mrk. Okçumusa Cad.
No:1 80020 Beyo¤lu - ‹stanbul
Direk Tel.: (262) 653 27 58
Tel.:
(212) 252 60 00 (20 Hat)
Faks:
(212) 251 23 04
e-mail:
[email protected]
web:
www.sarkuysan.com
Fabrika: Osmangazi Tren ‹stasyonu Yan›
Çay›rova 41401 Gebze - Kocaeli
Tel.:
(262) 653 45 07 (4 Hat)
Tel.:
(262) 653 26 04 (3 Hat)
Tel.:
(262) 653 27 52 (4 Hat)
Faks:
(262) 653 55 12
European Copper Institute
Avenue de Tervueren 168
B-1150 Brussels
Belgium
Tel: 00 32 2 777 7090
Faks: 00 32 2 777 7099
e-mail: [email protected]
Web sitesi: www.copperbenelux.org