İşletmelerde elektrik güç kalitesinin önemi!

Elektrik santrallerinde üretilen elektrik enerjisi tüketiciye ulaştığında genellikle üretildiği kalitede olmaz. Elektrik enerjisinin kalitesini belirleyen kriterler; üretilen AC (Alternating Current) gerilimin dalga şekli, etkin değeri, frekansı ve üç fazlı sistemler için faz gerilimleri arasındaki faz açısı dengesidir. İdeal şekilde üretilen AC gerilimin dalga şekli saf sinüzoidal, etkin gerilim ve frekans değerleri ise sırasıyla 220V (faz-nötr)/380V (faz-arası) ve 50Hz dir. Üç fazlı gerilim sistemlerinde her bir faz gerilimi arasındaki faz açısı 120° (elektriksel) dir.

Yüksek genliklere çıkarılıp uzak mesafelere taşınan ve dağıtım noktalarında düşürücü transformatörlerle gerilim seviyeleri düşürülen bu gerilim, iletimi ve dağıtımı sırasında çevresel faktörler ve/veya aynı güç dağıtım sisteminden beslenen diğer elektrik güç tüketicilerinin kullandığı motor, transformatör, reaktif güç kompanzasyon sistemleri ve güç elektroniği uygulamaları (akü şarj üniteleri, UPS’ler, motor hız kontrol cihazları vs.) nedeniyle bozulmaya uğrar. Gerilim dalga şeklindeki bozulma (voltage distortion), doğrudan işletmelerin kullandığı elektrik enerjisinin kalitesindeki sapmayı belirler. Üretime yönelik kullanılan hassas ve pahallı elektronik cihazlar bu gerilim dalga şeklindeki bozulmanın şiddetine bağlı olarak ya tümüyle kullanılamaz hale gelir, ya da kendilerinden beklenen çalışma performansını gerçekleştiremez. Arızalanan veya devre dışı kalan hassas cihazlar nedeniyle üretim kesintiye uğrar.

Örneğin, güç kalitesini belirleyen unsurlardan biri olan elektrik güç harmonikleri ile ilgili Amerikan standardı IEEE-519, elektrik enerjisinin kalitesinde hem üreticilere, hem de tüketicilere sorumluluk yükleyen tavsiyelerde bulunmaktadır. Elektrik enerjisini üreten kurum/kuruluş distorsiyonu (dalga şeklindeki bozulma) düşük gerilim üretmekten, elektrik enerjisini kullanan tüketici ise beslendiği güç sisteminden düşük distorsiyonlu akım çekmekten sorumludur. Standardın tavsiye ettiği sınır değerleri tüketicilerin bağlı olduğu noktanın (beslendiği güç barasının) kısa devre akım kapasitesi ve bu noktadan çekilen yük akım değeri belirler. 

IEEE 1159 IEEE Recommended Practice for the Transfer of Power Quality Data güç kalitesi problemlerini aşağıdaki şekilde sınıflandırmıştır:

• Geçici ve hızlı değişimler (Transients)

• RMS gerilim değişimleri (RMS variations) -  sags, swell ve kesintiler (interruptions)

• Kısa süreli değişimler (Short-duration variations)

• Uzun süreli değişimler (Long-duration variations)

• Sürekli devam eden değişimler (Sustained variations)

• Dalga şekli bozulmaları (Waveform distortions)

• DC offset

• Harmonikler (Harmonics)

• Interharmonics

• Gerilim çentikleri (Notching)

• Gerilim dalgalanmaları (Voltage fluctuations)

• Güç frekansı değişimleri (Power frequency variations)

Bu güç kalitesi problemleri aşağıda kısaca açıklanmıştır:

1-   Geçici ve hızlı değişimler (Transients)

Gerilim veya akım darbesi (impulsive transient): Süresi kısa ve tek yönlüdür. Yaygın nedenleri yıldırım, endüktif yüklerin anahtarlanmasıdır. Pozitif ve negatif yönde olabilir.

Salınımlı gerilim veya akım darbesi (oscillatory transient): Süresi kısa ve çift yönlüdür. Yaygın nedenleri güç faktörü düzeltme kondansatörlerinin anahtarlanması, transformatör ferrorezonansıdır.

Gerilim ve/veya akımda oluşacak bu iki tipteki hızlı değişim anlık olarak oluşur ve tespit edilmeleri güçtür. 1 msn’den daha kısa sürerler ve ancak kayıt cihazları ile kaydedilebilirler. Sistem kilitlenmelerine, veri kayıplarına ve motor hız kontrol cihazlarının beklenmedik şekilde devre dışı kalmalarına neden olurlar. Cihazlara kalıcı zarar verebilirler. MOV ve zener diyot benzeri elemanlar kullanılarak önlenebilirler. Tipik değişimleri aşağıda sunulmuştur.

2-   RMS gerilim değişimleri (RMS variations)

Gerilim düşümü (voltage sag/dip): 0.5 periyottan 1dk. ya kadar süren ve etkin (rms) gerilim düşümü, nominal gerilim değerinin %10-%90’ı arasında kalan olan olaydır. Örneğin 220V’luk sistemimizde gerilim değerinin 10msn ile 1dk. arası süreyle 198V-22V arasında kalması sag türü gerilim düşümü probleminin yaşandığı anlamına gelir. Yaygın nedenleri yüksek yol alma akımı çeken güçlü motorların devreye girmesi, asansörler, kompresörler ve şebeke hatalarıdır.

Gerilim yükselmesi (voltage swell/surge): Gerilim düşümünün tersidir. 0.5 periyottan 1dk. ya kadar süren ve etkin (rms) gerilim yükselmesi nominal gerilim değerinin %110-%180’i arasında kalan olaydır. Büyük üretim tesislerinde sıklıkla oluşurlar. Yaygın nedenleri büyük güçlü yüklerin devreden çıkarılması, güç istasyonlarında yanlış kademe seçimi ve şebeke hatalarıdır.

Kesinti (interruption): Gerilim değerinin 60sn’den daha kısa süreyle nominal değerin %10’unun altına inmesidir. Geçici kesinti olarak tanımlanan bu olayın dışında 60sn. den uzun süren ve gerilim etkin değerinin 0V olduğu kesintiler uzun süreli kesintilerdir (Blackout) ve temel nedenleri devre kesicilerin açması, şebeke hatalarıdır.

Uzun süren yüksek gerilimler (overvoltage) ve düşük gerilimler (undervoltage) swell ve sag’lara göre daha uzun sürelidir (1dk. dan uzun) ve bilgisayar belleklerinde veri kaybı, veri hatası, hassas cihazların devre dışı kalması gibi problemlere neden olabilirler. Saatlerce veya günlerce sürebilen düşük gerilimler Brownout olarak adlandırılır ve yetersiz kapasiteye sahip güç kaynaklarına olan aşırı elektrik güç talebi bu olayların en önemli oluşum nedenlerinden biridir.

3-   Gerilim çentiği (voltage notch)

Gerilim dalga şeklinde gözlenen periyodik kısa süreli düşümlerdir. Yaygın nedeni DC ve AC motor sürücülerinde, Kesintisiz Güç Kaynakları’nda (UPS) yer alan, akım komütasyonu yapan doğrultucu devreleridir. 6 darbeli bir doğrultucu beslendiği şebeke gerilim dalga şeklinde bir periyotta 6 adet gerilim çentiği oluşturur. Gerilim çentiklerinin süre ve derinliklerinin artması aynı gerilim kaynağından beslenen diğer yüklerde sorun yaratabilir.

4-   Gerilim dalgalanmaları (voltage fluctuations/flicker)

Gerilim etkin değerinin 3-5Hz frekansla ±%10 değişmesidir. Diğer bir deyişle gerilim dalgalanmasını oluşturan kaynak var olduğu sürece gerilimin etkin değeri sabit kalmaz, düşük frekansla sürekli değişir. Yaygın nedenleri bir güç elektroniği uygulaması olan cycloconverter’lar, ark fırınları ve şebeke frekansına senkron olmayan akımlar çeken diğer yüklerdir. Kullanılan cihazlarda performans sorunu yaşanmaması için beslendiği AC gerilimin değişim aralığı ±%5’te sınırlandırılmalıdır.

5-   Gerilim dengesizliği (voltage imbalance/unbalance)

Üç faz gerilim genliklerinin birbirine eşit olmaması, birinin diğerine göre max. sapması durumudur. Yaygın nedeni faz iletkenlerinden farklı değerde akımlar çeken yüklerin neden olduğu dengesiz yük akımları ve kondansatör gruplarında yaşanan anormalliklerdir. 3 fazlı AC motorların dengesiz gerilimler ile beslenmesi moment ve ısınma ile ilgili problemleri doğurur. Nominal değerden olan sapma miktarı % cinsinden verilir.

6-   DC Offset

AC güç sisteminde DC gerilim veya DC akım bileşenin yer alması durumudur. Dengesiz çalışan güç konvertörleri veya yarım dalga doğrultucular nedeniyle oluşur ve güç transformatörlerini doymaya götürebilir.

7-   Harmonikler (Harmonics)

Gerilim veya akım dalga şeklinin saf sinüzoidal halden sapması durumudur. Harmonikler güç frekansının (örn. 50Hz) tam katları (100Hz, 150Hz, 200Hz gibi) olabileceği gibi interharmonik şeklinde kesirli katları da (125Hz, 175Hz gibi) olabilir. Harmonik içeren dalga şekli de periyodiktir ve temel bileşen olan 50Hz’lik bileşen dışında kalan tüm harmonik bileşenler elektrik sisteminde artan güç kayıplarına, gerilim düşümlerine ve elektrik sisteminin verimli kullanılamamasına neden olur. Yok edilmesi veya zayıflatılması düşünülen harmoniklere ayar edilmiş harmonik filtrelerin kullanılmasıyla harmoniklerin elektrik sisteminde ve yükler üzerindeki zararlı etkileri azaltılabilir. Aşağıda içinde harmonik akım bileşenlerinin yer aldığı, üç fazlı tristör kontrollu bir doğrultucunun kaynaktan çektiği akım dalga şekli verilmiştir.

Güç kalitesi problemlerinin en sık karşılaşılan doğal nedenleri yıldırım, güç iletimini kesintiye uğratan kuş ve ağaçlardır. Bakım ve onarım nedeniyle elektrik üreticisi/satıcısı kuruluş tarafından elektrik hatlarının devre dışı bırakılması ve yeniden devreye alınması esnasında da bahsi geçen güç kalitesi problemleri ortaya çıkabilir. Bununla beraber bu problemleri oluşturan en yaygın nedenler işletmelerde kullanılan güç ekipmanları ve cihazlarıdır. Diğer bir deyişle işletme kullandığı elektrik enerjisinin kalitesini bizzat kendisi de bozabilir. Gerilim dalga şekli bozulmuş bir gerilimden beslenen bilgisayarın yeniden açılması (re-boot) veya kilitlenmesi işletmelerde sıklıkla karşılaşılabilecek sorunlardandır ve böyle bir durumda saklanmamış verilerin kaybolması kaçınılmazdır!

Güç kalitesi ile ilgili problemleri en aza indirmenin değişik yolları vardır. Bu yöntemlerin her biri genellikle tek bir problemi önleyebilir. Örneğin düşük güç faktörünü yükseltmek için güç faktörü kompanzasyon sistemleri; şebekeden çekilen harmonik akımlarının genliklerini azaltmak için pasif veya aktif harmonik filtreler; gerilim değişimlerini nominal değerlerde tutmak için gerilim regülatörleri kullanılır. Anılan bu yöntemler genellikle sadece bir tek güç kalitesi probleminin çözümünde etkilidir.

Hassas elektronik cihazları şebekede ortaya çıkabilecek güç kalitesi ile ilgili problemlerden izole etmek için Kesintisiz Güç Kaynakları’nın (KGK, UPS) kullanımı kaçınılmazdır. KGK’lar gelişmiş kontrol ve güç elektroniği sistemlerini bünyelerinde barındıran güç koruma çözümleridir. Şebeke gerilim dalga şeklinde ortaya çıkabilecek her türlü bozulmayı ortadan kaldıracak şekilde çift güç dönüşümü (double power conversion) gerçekleştirirler. Bir KGK öncelikle şebeke gerilimini giriş kısmında yer alan doğrultucu aracılığıyla regüle edilmiş DC (Direct Current) gerilime dönüştürür ve bünyesinde yer alan aküleri şarj altında tutar. Aynı zamanda çıkış kısmında yer alan evirici yardımıyla girişindeki DC gerilimi çıkışında AC (Alternating Current) gerilime dönüştürerek hassas kritik yükleri frekansı sabit, değeri ayarlanmış sabit bir gerilim ile besler. KGK’larda yükleri besleyen gerilim evirici tarafından şebekeye tam senkron olarak yeniden oluşturulmaktadır.

Günümüzde KGK’lar yaygın kullanım alanına sahiptir. ATM cihazları, baz istasyonları, askeri savunma sistemleri, tıp cihazları, endüstriyel otomasyon sistemleri, bilgisayarların kullanıldığı tüm uygulamalarda KGK sistemleri yer almaktadır. Destekleme süresinin ve KGK gücünün belirlediği aküler elektrik kesintileri sırasında kritik yüklerin ihtiyacı olan elektrik enerjisini sağlamaya devam ederler.

Bu makalede işletmelerin üretimini ve elektrik sistemlerini olumsuz yönde etkileyen elektrik güç kalitesi problemlerine kısaca değinilmiş, kritik yükleri bu etkilerden izole etmek için KGK kullanımının önemi vurgulanmıştır

Makalenin hazırlanmasında Peter M. Curtis’in ‘’Maintaining Mission Critical Systems In A 24/7 Environment’’ adlı kitabından yararlanılmıştır.

Makalenin Yazarı Hakkında: Yrd. Doç. Dr. Vehbi BÖLAT, güç elektroniği alanında 20 yıldan uzun süre çalışmış olup uzmanlık alanlarıyla ilgili danışmanlık, eğitim ve ölçüm hizmetleri vermektedir; özel bir üniversitede öğretim üyeliği yapmaktadır. KGK satışı ve pazarlaması konusunda uzun yıllardır sektörde faaliyet gösteren Tunçmatik A.Ş. (www.tuncmatik.com) firmasında teknik danışmanlık hizmeti vermektedir. Uzmanlık alanları Güç Elektroniği, Elektrik Makinaları, Kesintisiz Güç Kaynakları, Fotovoltaik Sistemler, Motor Hız Kontrolu, Elektrik Güç Kalitesi ve Analizi’dir.