Gerilim kalitesini standartlara uygun olarak ölçümü
Modern enerji altyapısında güç kalitesini ölçmek ne kadar önemlidir ? Hangi uygulamalar gündemde ? İlgili standardlar ne diyor ? Güç kalitesi ölçüm cihazları arasındaki temel farklar nelerdir ?
Değişen elektrik üretim türleri ve dinamik tüketim profilleri, gerilim kalitesinin bir kez daha odak noktası haline gelmesini sağladı. Farklı gerilimlere sahip yenilenebilir enerji kaynaklarında eşi görülmemiş bir artış sonucunda güç kalitesi sorunlarının sıklığı da arttı. Ağdaki birden fazla erişim noktasındaki senkronize olmayan yükler ve bunların farklı voltajları nedeniyle tüketim düzenlerinde de önemli bir değişiklik oldu.
Birkaç yüz kilowatt gerektirebilen elektrikli araçlara yönelik şarj noktalarının yanı sıra ısıtma, havalandırma ve soğutma ihtiyaçları olan çok sayıda veri merkezini düşünün. Endüstride ark ocakları, frekans dönüştürücülü sürücüler, anahtarlamalı transformatörler vb. yalnızca önemli ağ parazitlerine (harmonikler) neden olmakla kalmaz, aynı zamanda voltaj düşüşleri ve artışları, kısa süreli voltaj düşüşleri ve titremeye de neden olur.
Enerji temini bağlamında gerilim kalitesi, müşteriye ulaşan gerilimin kalitesidir ve kalite, büyüklük, faz konumu ve frekansa ilişkin bir dizi düzenlemeye göre belirlenir. Tanım olarak burada hem gerilim hem de akım kastedilmektedir. Ancak jeneratör tarafında voltaj nispeten kolay bir şekilde düzenlenebiliyorken, akım yoğunluğu büyük ölçüde müşterinin tüketimine bağlıdır. İlgili son kullanıcıya bağlı olarak gerilim kalitesi kavramı da ortaya çıkan sonuçlar kadar karmaşıktır.
Yetersiz güç kalitesinin ekonomik sonuçları son yıllarda yoğun bir şekilde araştırılmakta ve dünya çapında birkaç milyar ABD dolarına ulaştığı tahmin edilmektedir. Tüm çalışmalar, güç kalitesi izlemenin birçok endüstrinin ekonomik sonuçları üzerinde doğrudan etkisi olduğu sonucuna varıyor. Hiç şüphe yok ki düşük voltaj kalitesi şirketlerin karlılığını olumsuz etkiliyor. Ancak bunları büyük ölçekte verimli ve etkili bir şekilde izlemek hiç de kolay bir iş değil. Bir sistemdeki güç kalitesinin izlenmesi, yalnızca yüksek vasıflı personel değil, aynı zamanda elektrik sisteminin birden fazla noktasına uzun ve belirsiz süreler boyunca kurulması gereken pahalı ekipmanlar da gerektirir.
Güç kalitesi izlemenin uygulama alanları;
Güç kalitesinin izlenmesi, bazı iş alanlarında tamamen maliyet düşürücü bir strateji olarak görülürken, bazılarında ise gerekli görülüyor. Şekil 2'de gösterildiği gibi, çok çeşitli elektrik altyapılarında güç kalitesi sorunları ortaya çıkabilir. Aşağıda, elektrik enerjisinin üretimi ve dağıtımı, elektrikli araçların şarj edilmesi, fabrikalar ve veri merkezleri gibi belirli alanlarda güç kalitesinin izlenmesinin giderek daha kritik hale geldiğini daha ayrıntılı olarak ele alacağız.
Elektrik iletimi ve dağıtımı;
Enerji tedarik şirketleri (EVU'lar) müşterilerine dağıtım ağları aracılığıyla enerji tedarik etmektedir. Bunlar, elektriğin havai hatlar aracılığıyla tüketicilere iletildiği trafo merkezlerini içerir. Bu havai hatların gerilimleri trafo merkezlerinde uygun transformatörler tarafından azaltılır, ancak bunlar ağa harmonikler ve ara harmonikler katar.
Dağıtım sistemlerindeki harmonik akımlar sadece harmonik bozulmalara, güç faktörünün azalmasına ve ek kayıplara yol açmakla kalmaz, aynı zamanda elektrik sistemlerinin aşırı ısınmasına, servis ömrünün etkilenmesine ve soğutma maliyetlerinin artmasına neden olur [2].
Bu tür trafo merkezlerinin beslediği doğrusal olmayan tek fazlı yükler, gücün dalga biçimini değiştirebilmekte ve doğrusal olmayan yüklerin oluşturduğu dengesiz yük, transformatörlerde kayıpların artmasına, nötr iletkenlerinde yükün artmasına, alçak gerilimin beklenmedik çalışmasına neden olmaktadır. devre kesiciler ve elektrik tüketiminin yanlış ölçümü [3]. Şekil 3 doğrusal olmayan yüklerin sonuçlarını göstermektedir.
Rüzgar gücünden ve fotovoltaik (PV) sistemlerden elektrik üretimi de güç kalitesinde sorunlara neden olabilir. Örneğin rüzgar türbinlerinde dalgalanan rüzgar kuvveti harmoniklere ve kısa süreli voltaj dalgalanmalarına neden olabilir [4]. PV invertörlerin ürettiği bozulma değişkenleri, bu cihazlar genellikle verimliliği artırmak için yüksek anahtarlama frekanslarıyla çalıştıklarından, voltaj tepe noktaları, harmonikler ve yüksek frekanslı girişimler oluşturabilir.
Elektrikli araçlar için şarj noktaları
EV şarj cihazları, hem enerjiyi şebekeye aktarırken hem de enerji satın alırken voltaj kalitesi açısından çeşitli zorluklar ortaya çıkarabilir.
EV şarj cihazlarıyla ilgili güç kalitesi sorunları
Enerji tedarikçisi açısından bakıldığında, EV şarj noktalarında bulunan güç elektroniği tabanlı dönüştürücüler, harmoniklerin ve ara harmoniklerin ortaya çıkmasına neden oluyor. Kötü tasarlanmış güç dönüştürücülere sahip şarj cihazları, şebekeye DC akımı bile enjekte edebilir ve hızlı şarj cihazları, hızlı voltaj dalgalanmalarına ve titremelere neden olabilir. Şarj noktaları açısından bakıldığında, iletim ve dağıtım sistemlerindeki hatalar, şebeke voltajının düşmesine veya tamamen kesilmesine neden olabilir. Voltajın EV şarj cihazının minimum voltajının altına düşmesi, düşük voltaj korumasının çalışmasına ve şebeke bağlantısının kesilmesine neden olabilir ve bu da kullanıcı deneyimine son derece zararlıdır.
Fabrikalar
EPRI (Elektrik Enerjisi Araştırma Enstitüsü) tarafından hazırlanan bir rapora göre, örneğin dalgalanmalar ve parazitlerden kaynaklanan güç kalitesi sorunları, ABD sanayi şirketlerine yılda yaklaşık 119 milyar dolara mal oluyor [6]. Avrupa Bakır Enstitüsü ayrıca 25 AB ülkesinde çeşitli güç kalitesi sorunlarından kaynaklanan yıllık mali kayıpların 160 milyar ABD Doları tutarında olduğunu bildirmektedir [7]. Bu rakamlar, arıza süresi ve üretim kaybının yanı sıra entelektüel üretkenlik kaybının eşdeğerini de ifade eder [8].
Güç kalitesindeki bozulmalar çoğunlukla ark ocakları ve endüstriyel motorların neden olduğu aralıklı yüklerden ve yük dalgalanmalarından kaynaklanır. Bu tür girişimler gerilim düşme ve artışlarına, harmoniklere, güç kaynağında kesintilere, titremeye ve sinyal gerilimlerinde yol açmaktadır [9]. Bir fabrika sisteminde bu tür arızaların tespit edilmesi ve kaydedilmesi için, gerilim kalitesini izleyen cihazların elektrik tesisatının çeşitli noktalarına veya daha iyisi her tüketiciye kurulması gerekir. Yeni Endüstri 4.0 tekniklerinin kullanıma sunulmasıyla birlikte, kapsamlı bir resim sağlamak amacıyla endüstriyel panel sayaçlar veya alt sayaçlar kullanılarak her tüketici için güç kalitesi izleme uygulanabilir.
Veri merkezleri
Günümüzde çoğu ticari faaliyet şu veya bu şekilde veri merkezlerine bağlıdır; e-posta gönderme, veri depolama, bulut hizmetleri vb. sadece birkaç örnektir. Ancak bu veri merkezleri yüksek düzeyde temiz, güvenilir ve sürekli kullanılabilir elektrik enerjisine ihtiyaç duymaktadır. Bu durumda, güç kalitesinin izlenmesindeki yeterlilik, pahalı elektrik kesintilerinin önlenmesine ve güç kaynağı birimlerindeki (PSU'lar) sorunlar sonucunda ekipmanın bakımının veya değiştirilmesinin koordine edilmesine yardımcı olur. Kesintisiz güç kaynaklarının (UPS'lerin) PDU (Güç Dağıtım Birimleri) raflarına entegrasyonu, güç kalitesi izlemeyi bu veri merkezlerinin BT sistemlerine entegre etmek için başka bir motivasyondur; çünkü bu, her çıkış için herhangi bir sorunun ayrı ayrı tespit edilmesini mümkün kılar.
Emerson Network Power'ın bir raporuna göre, içerdikleri aküler de dahil olmak üzere UPS sistemlerinin arızaları, veri merkezlerindeki elektrik kesintilerinin önde gelen nedenidir [10]. Bildirilen elektrik kesintilerinin yaklaşık üçte birinin işletmelere maliyeti yaklaşık 250.000 $'dır [11]. Sorunsuz ve kesintisiz bir güç kaynağının sağlanması için her veri merkezinde UPS sistemleri kullanılmaktadır. Bu sistemler, şebeke tarafındaki güç kaynağı sorunlarının çoğunu izole etse veya azaltsa da, BT ekipmanının PSU'larının (Güç Kaynağı Birimleri) kendileri tarafından oluşturulan sorunlara karşı koruma sağlamazlar. Bu PSU'lar, hız kontrollü fanlara sahip güçlü soğutma sistemleri gerektirebilecek harmoniklerin yanı sıra başka sorunlara da neden olabilecek doğrusal olmayan yüklerdir. Bunun dışında PSU'lar, geçici gerilimler, aşırı gerilimler, gerilim artışları, düşüşler ve tepe noktalarının yanı sıra dengesiz yükler, yük dalgalanmaları, frekans değişimleri ve sistemlerin yetersiz topraklanmasını içeren çok çeşitli bozulmalarla karşı karşıya kalabilir.
Güç kalitesi standartları ve tanımları
Güç kalitesi standartları, çeşitli parametrelerin hedef değerlerinden ne kadar sapabileceğine ilişkin ölçülebilir sınırlar belirler. Elektrik tedarik sisteminin bireysel bileşenleri için farklı standartlar geçerlidir. Örneğin, Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) standardı IEC 61000-4-30, AC güç kaynağı sistemleri için güç kalitesi parametrelerinin ölçüm yöntemlerini ve sonuç yorumlarını belirtir. Gerilim kalitesi parametreleri 50 Hz ve 60 Hz temel frekansları için tanımlanmıştır. Standart aynı zamanda iki ölçüm cihazı sınıfı arasında da ayrım yapar: Sınıf A ve Sınıf S.
➔ Sınıf A, güç kalitesi parametrelerinin ölçümünde en yüksek doğruluk ve kesinlik düzeyini tanımlar. Sözleşmeye bağlı konular ve anlaşmazlıkların çözümü için son derece hassas ölçümler sağlaması gereken araçlara uygulanır. Bu sınıf aynı zamanda standarda uygunluğu doğrulamak için kullanılan cihazlar için de geçerlidir.
➔ S Sınıfı, güç kalitesinin değerlendirilmesi, istatistiksel analiz ve düşük belirsizlikle güç kalitesi sorunlarının teşhis edilmesi için kullanılır. Bu sınıftaki cihazlar, standart tarafından belirtilen parametrelerin sınırlı bir alt kümesini belgeleyebilir. S Sınıfı cihazlarla gerçekleştirilen ölçümler, bir ağın çeşitli noktalarında, tüm konumlarda ve hatta sistemin ayrı ayrı bölümlerinde gerçekleştirilebilir.
Standardın, ölçüm yöntemlerini belirlemesine, sonuçların yorumlanmasına yönelik rehberlik sağlamasına ve güç kalitesi ölçüm cihazının performansını belirtmesine rağmen, ölçüm cihazının tasarımına yönelik herhangi bir kılavuz içermediğini vurgulamak gerekir.
IEC 61000-4-30 standardı, Sınıf A ve S ölçüm cihazları için aşağıdaki güç kalitesi parametrelerini (Şekil 6) tanımlar:
➔ Şebeke frekansı
➔ Besleme voltajı ve akım seviyesi
➔ Titreşim
➔ Besleme gerilimindeki düşüşler ve artışlar
➔ Gerilim kesintileri
➔ Dengesiz yükler
➔ Gerilim ve akımın harmonikleri ve ara harmonikleri
➔ Ani voltaj değişiklikleri
➔ Hedefin altında kalanlar ve aşılanlar
➔ Besleme voltajındaki şebeke sinyal voltajları
Her ne kadar A Sınıfı, S Sınıfına göre daha yüksek düzeyde doğruluk ve kesinlik tanımlasa da, farklılıklar hiçbir şekilde doğrulukla sınırlı değildir.
Bunun yerine cihazların zaman senkronizasyonu, ölçüm problarının kalitesi, kalibrasyon periyotları, sıcaklık aralıkları vb. gibi gereksinimleri de karşılaması gerekir. Tablo, ölçüm cihazlarının ilgili sınıfa sınıflandırılabilmesi için karşılaması gereken gereksinimleri listelemektedir.
Özet
Elektrik dağıtım altyapısının tamamında güç kalitesi sorunları ortaya çıkar. Bu tür sorunları izlemeye yönelik ekipmanlar, ekonomik kayıpları azaltırken performansı, hizmet kalitesini ve varlık ömrünü artırmaya yardımcı olur. Yazı serimizin ikinci bölümünde, Elektronik'in aşağıdaki sayılarından birinde standartlara uygun bir gerilim kalitesi ölçüm cihazının nasıl tasarlanacağını okuyacaksınız. Yazarlar, voltaj kalitesinin izlenmesine yönelik ürünlerin önemli ölçüde daha hızlı ve en önemlisi daha uygun maliyetli geliştirilmesine olanak tanıyan entegre bir çözüm ve anında kullanılabilir bir platform gösteriyor.
