Endüstriyel tesislerde güç kalitesinin izlenmesi, analizi ve uygun harmonik filtre seçimi

Abstract

Elektrik enerjisinin kalitesi, endüstriyel tesislerde kullanılan makinelerin hatasız ve verimli çalışması bakımından oldukça önemlidir. Gün geçtikçe ilerleyen teknoloji ile sistemdeki yükler çeşitlilik gösterse de sistemdeki yüklerin her zaman lineer olması istenir. Bununla beraber son yıllarda ilerleyen güç elektroniği teknolojisinin büyük etkisi ile sistemlerde akım ve gerilim karakteristiği doğrusal(lineer) olmayan yüklerde artış görülmektedir. Aynı kaynaktan beslenen, farklı tesislerde çalışan makinelerin oluşturmuş oldukları bozucu etkiler, çevrede bulunan diğer makineleri de etkilemekte, bu da makinelerin çalışmalarında uygun olmayan karakteristikler göstermelerine sebep olmaktadır. Sistemdeki bu lineer olmayan yükler, harmonikli akımlar ile gerilimlerin oluşmasına neden olmakta ve elektrik enerjisinin kalitesini bozan etkilerin başında bu harmonikler gelmektedir. Oluşan harmoniklerin, şebeke enerjisinin sinüsoidal formunu bozması sonucunda, çalışma özelliğinde frekansın etkili olduğu makine ve sistemler kararlı davranış sergileyememektedirler. Harmonik oluşumuna sebep olan endüstrideki başlıca yükler; güç elektroniği elemanları, motor sürücüleri, kesintisiz güç kaynakları, eviriciler ve yüksek güçlü asenkron motorlar şeklinde sıralanabilir. Harmonikler; sistemlerde ek enerji kayıplarına, ısınmalara, yalıtım hatalarına ve elektronik elemanlardaki ömür kısalmasına neden olmaktadır. Bu nedenle, harmoniklerin oluşmadan veya oluştuktan sonra giderilmesi önem taşımaktadır. Yapılan çalışmada; yük karakteristiği değişken olan çeşitli endüstriyel tesislerden, yüksek örnekleme frekanslarında toplanan akım ve gerilim verileri kullanılarak güç kalitesi parametrelerinden olan harmonik analizi yapılmıştır. Veri toplama işlemi için akım ve gerilim transduserlerinden alınan elektriksel sinyaller, bir veri toplama kartı ile bilgisayara aktarılmıştır. Güç kalitesi izleme ve veri kaydı için LabVIEW tabanlı görsel bir kullanıcı ara yüzü tasarlanmıştır. Tasarlanan program ile her bir faza ait akım ve gerilimlere ilişkin dalga form biçimleri, fazör diyagramları, toplam harmonik bozulma seviyesi ile güç parametrelerinin değişimleri gerçek zamanlı olarak görüntülenebilmekte, ayrıca program ile kaçıncı harmonik seviyesine kadar inceleme yapılacaksa örnekleme frekansı değiştirilerek, verilerin kaydedilmesi işlemi de gerçekleştirilmektedir. Farklı endüstriyel tesislerin değişik çalışma koşullarına ait yük durumlarındaki harmonik analizi için toplanan veriler MATLAB ortamında analiz edilmiştir. Akım ve gerilim şeklindeki zaman tanım bölgesi sinyalleri, frekans tanım bölgesinde analiz edilerek frekans-genlik ve faz bilgileri çıkartılmış, baskın harmonikler için filtre tavsiyelerinde bulunulmuştur. Ayrıca harmonikler için yapay sinir ağı tabanlı akıllı bir izleme sistemi yaklaşımı da oluşturulmuştur.

The quality of electric energy used in industrial institutions plays a very important role in terms of having the electrical equipments work properly and efficiently. By the technology which is being developed days by days the loads of the system gain a number of varieties. The institutions want these loads to be linear. However, by the impact of a semiconductor technology, it is observed that there has been an increase in loads that are non-linear. Nonlinear loads are the loads that have non-linear current and voltage characteristics. The damaging effects of machines which work in different institutions and have the same resources affect the other machines. Thus, this causes a number of characteristics which are not appropriate for the machines in the institutions. The loads and the system, cause harmonic currents and voltage. This harmonics are the primary damaging effects which destruct the quality of the electric energy. Harmonics give harm to the sinusoid formation of the mains energy. As a result, the electrical equipments cannot work properly. Industrial loads that cause harmonic formation such as electronic power elements, drivers, uninterruptible power supplies, inverters and high powered induction machines can be numbered. These harmonics also may be produce energy losses, heating and isolation problems and they shorten life of electronic elements. Therefore it is necessary to suppress of these harmonic effects before occurrence and afterwards. In this study a harmonic analysis has been realized from parameters which are gathered from high sample frequencies from various industrial institutions which have a variable load characteristic in order to gather data, electric signals gathered from current and voltage transducers were loaded on a computer by a data acquisition card. In order to monitor the power quality and record the data a visual user which has a LabVIEWTM data base was designed. The software helps to monitor the waveform, total harmonic distortion level and changes in power parameters. The data gathered for a harmonic analysis which belongs to different working conditions, different industrial institutions were analyzed by MATLAB. The signals of time domain were analyzed in the frequency domain and the phase data output was taken, for the dominant harmonics, filtration has been suggested. Also, an artificial neural network based intelligent monitoring system has been designed for harmonics.