FREKANS KONVEKTÖRLERİNİN NEDEN OLDUĞU HARMONİKLERİN PASİF FİLTRELERLE ELİMİNASYONU / GÖKHAN GÜLŞEN

Frekans Konvertörlerinin Neden Olduğu Harmoniklerin Pasif Filtrelerle Eliminasyon u

Gökhan gülşen Elektrik Elektronik Mühendisi

Frekans konvertörü ile şebeke arası ve frekans konvertörü ile indüksiyon motor arasında, şebeke ve motor için meydana gelen olumsuz etkileri elimine edebilmek için birtakım uygulamalar yapılmaktadır. Frekans konvertörünün yapısı gereği neden olduğu harmoniklerden kaynaklı olumsuz etkilerin eliminasyonu ile şebeke tarafında (özellikle giriş tarafında kullanılacak filtreler ile) hem birincil tüketici hem de diğer tüketiciler için daha temiz ve verimli bir enerji kullanabilme imkânı sağlanmaktadır.

Frekans konvertörünün, indüksiyon motor üzerinden neden olduğu olumsuz etkileri elimine ederek de indüksiyon motorun ve frekans konvertörünün, dolayısıyla bu iki komponentin bağlı olduğu sistem bütününün işletme ömrü uzatılmaktadır.

Filtrelerin performansını ölçmek için, 7,5kW frekans konvertörlü indüksiyon motorun bulunduğu bir kompresör referans olarak alınmıştır. İlk etapta mevcut durumun harmonik seviyeleri ile güç değerleri ölçülmüştür. Ardından, belirlenen filtreler eklenerek aynı ölçümler tekrarlanmış ve çıkan sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Giriş tarafında %2 ve %4 hat reaktörü ile LCL tip pasif filtre kullanılmıştır.

1. Frekans Konvertörlü Durumda Harmonikler

Tablo 1.2 Frekans Konvertörü Kullanıldığında Güç ve THB Değerleri Harcanan Güçler Güç Çarpanları THB Değerleri

2. %2 Hat Reaktörlü Durumda Harmonikler Şebeke ile frekans konvertörü arasına %2 empedansa sahip bir hat reaktörü bağlanarak aynı testler tekrarlanmıştır. Kompresör basıncı sabit tutularak indüksiyon motorun %100 yüklenmesi sağlanmıştır. Bu koşullar altında elde edilen akımgerilim dalga şekli aşağıda verilmiştir.

Şekil 1.1. Frekans Konvertörü Kullanıldığında Şebeke Gerilim-Akım Dalga Şekli

Şekil 1.2. Frekans Konvertörü Kullanıldığında Gerilim-Akım THB Değerleri

Tablo 1.1 Frekans Konvertörü Kullanıldığında Akım ve Gerilim Harmoniği Genlik Değerleri Harmoni Mertebesi Gerilim Harmoniği Genliği Akım Harmoniği Genliği (V) (A)

Şekil 2.1. %2 Hat Reaktörü Kullanıldığında Şebeke GerilimAkım Dalga Şekli

Şekil 2.1. incelendiğinde akım dalga şeklindeki bozulmanın bir miktar düzeldiği gözlemlenmektedir. Frekans konvertörü öncesine eklenen hat reaktörü sistemin empedansı arttırarak akımın daha düzgün bir yapıda olmasını sağlamaktadır. Yapı olarak içeriğinde bulunan indüktör, akımın ani değişimlerine izin vermediğinden akım dalga şeklinde iyileşmeye yol açmaktadır. Elde edilen gerilim ve akım harmonik spektrumları aşağıda verilmiştir.

Şekil 2.2. %2 Hat Reaktörü Kullanıldığında Gerilim-Akım THB Değerleri

8

Şekil 2.2’den görüldüğü üzere %2 hat reaktörünün, %46,1 olan THBI1 değerini, %34,6’ya düşürdüğü gözlemlenmiştir. Akım ve gerilime ait harmonik büyüklükler, aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Tablo 2.1. %2 Hat Reaktörü Kullanıldığında Akım ve Gerilim Harmoniği Genlik Değerleri Harmonik Mertebesi Gerilim Harmoniği Genliği Akım Harmoniği Genliği (V) (A)

Şekil 3.1 incelendiğinde akım dalga şeklinin, %2 hat reaktörlü duruma göre bir miktar daha iyileştiği gözlemlenmektedir. Elde edilen gerilim ve akım harmonik spektrumları aşağıda verilmiştir.

Tablo 2.2. %2 Hat Reaktörü Kullanıldığında Güç ve THB Değerleri Harcanan Güçler Güç Çarpanları THB Değerleri

Tablo 2.2 incelendiğinde %2 hat reaktörünün, akımın THB değerini azalttığı, buna bağlı olarak da bozulma kaynaklı kayıp gücü düşürdüğü gözlemlenmektedir. Bozulma gücü azaldığı için toplam görünür güç de azalmıştır. Reaktörler, indüktif reaktif bir karakteristiğe sahip olduklarından, frekans konvertörlerinin DC bara ünitelerinde bulunan kapasitörler nedeniyle azalan reaktif gücün artmasına, 1’e yaklaşan cos� değerinin ise bir miktar 1’den uzaklaşmasına neden olmaktadırlar. Ancak harmonikler azaldığından güç faktörü değeri 0,85’ten 0,88’e yükselmiştir. 3. %4 Hat Reaktörlü Durumda Harmonikler Şebeke ile frekans konvertörü arasına %4 empedansa sahip bir hat reaktörü bağlanarak aynı testler tekrarlanmıştır. Elde edilen akım-gerilim dalga şekilleri aşağıda verilmiştir.

Şekil 3.2. %4 Hat Reaktörü Kullanıldığında Gerilim-Akım THB Değerleri

Be klendiği üzere %4 hat reaktörü, %2 hat reaktörüne oranla harmonik bozulmayı bir miktar daha azaltarak THBI1 değerini %34,6’dan %31,6’ya düşürebilmiştir. Empedans değeri yükseldikçe harmonik eliminasyon oranı artmaktadır ancak yüksek empedanslar ekstra gerilim düşümlerine neden olmaktadır. Bu durum da frekans konvertörünün girişindeki gerilimi azaltarak cihazın daha fazla akım çekmesine ve düşük performansla çalışmasına neden olmaktadır. Harmonikle re ait büyüklükler, aşağıdaki tablolarda verilmiştir.

Tablo 3.1. %4 Hat Reaktörü Kullanıldığında Akım ve Gerilim Harmoniği Gerlik Değerleri Harmonik Mertebesi Gerilim Harmoniği Genliği Akım Harmoniği Genliği (V) (A)

Tablo 3.2. %4 Hat Reaktörü Kullanıldığında Güç ve THB Değerleri Harcanan Güçler Güç Çarpanları THB Değerleri

Şekil 3.1. %4 Hat Reaktörü Kullanıldığında Şebeke Gerilim-Akım Dalga Şekli

84 › AIR WORLD TÜRKİYE / NİSAN-MAYIS-HAZİRAN 2020 Tablo 3.2 incelendiğinde, daha önce de bahsedildiği üzere hat reaktörlerinin indüktif karakteristiklerinden dolayı cos� değerinin 0,87’ye gerilediği görülmüştür. Ancak artan indüktif reaktansla birlikte harmonik bozulma değeri ve bozulma gücünün azaldığı da görülmektedir. 4. Pasif Filtreli Durumda Harmonikler

Pasif filtreler de diğer hat filtreleri gibi sisteme seri olarak bağlanırlar. Ancak içeriğinde indüktörlerle beraber kapasitörler de bulunur. Filtre belirli bir kesim frekansına sahiptir. Bu değer genel olarak bu tarz uygulamalarda baskın olarak görünen 5. ve 7. harmonik mertebelerine göre ayarlanmaktadır. Bu

uygulamada kullanılan pasif filtrenin kesim frekansı 250 Hz’dir. Pasif filtreler LC kolu ile 5. harmoniği, diğer seri bağlı reaktör ile de geniş banttaki harmonikleri filtrelemektedir. Pasif filtre sisteme eklendiğinde, gerilim-akım dalga şeklindeki iyileşme, aşağıda verilen şekilden net bir biçimde görülmektedir. Sistemde yalnızca frekans konvertörünün olduğu durumda 5 A seviyelerinde olan 5. harmonik akımı, pasif filtrenin sisteme eklenmesiyle beraber 0,6 A seviyelerine gerilemiştir. Benzer azalma, diğer baskın olan harmoniklerden 7. harmonikte de yaşanmıştır. Böylece düşük bir harmonik bozulma elde edilerek, harmoniklere bağlı kayıpların da azalması sağlanmıştır. Pasif filtrenin olduğu durumda elde edilen güç ve THB değerleri, aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Tablo 4.2. Pasif Filtre Kullanıldığında Güç ve THB Değerleri Harcanan Güçler Güç Çarpanları THB Değerleri

Şekil 4.1. Pasif Filtre Kullanıldığında Giriş Gerilim-Akım Dalga Şekli

Ş ekil 4.1 incelendiğinde akım dalga şeklinin sinüzoidal forma yaklaştığı görülmektedir. Elde edilen gerilim ve akım harmonik spektrumları aşağıda verilmişti r.

Şekil 4.2. Pasif Filtre Kullanıldığında GerilimAkım THB Değerleri

Akım harmonikleri %46,3 THBI1 değerinden, %8,7’ye gerileyerek büyük oranda elimine edilmiştir. Akım ve gerilim için ölçülen harmonik genlik değerleri, aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Tablo 4.1. Pasif filtre Kullanıldığında Akım ve Gerilim Harmoniği Genlik Değerleri Harmonik Mertebesi Gerilim Harmoniği Genliği Akım Harmoniği Genliği (V) (A)

Harmonik kaynaklı kaybedilen güç azaldığından, bununla orantılı olarak toplam harcanan güç de azalmıştır. Pasif filtreler, yapılarında bulundurdukları kapasitör gereği sisteme reaktif kompanzasyon yapmaktadır. Bundan dolayı da cos� değeri 1 çıkmıştır. Sistem, reaktif güç ihtiyacını kapasitör üzerinden karşıladığından, reaktif olarak harcanan güç değeri sıfır olarak elde edilmiştir. Hem cos� değerinin 1 olarak elde edilmesinden hem de harmonik bozulma değerinin az olmasından dolayı elde edilen güç faktörü, yapılan testler içerisinde en yüksek değere sahip olanıdır. 5. Sonuç

THBI1 değeri %46,3 olarak ölçülen frekans konvertörlü indüksiyon motorun bağlı olduğu sisteme harmonik filtre eklendiğinde, elde edilen akım toplam harmonik bozulma değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Yine aynı tabloya, hem performans hem de maliyet bakımından optimum filtrenin belirlenebilmesi için bu filtrelerin maliyet oranları da eklenmiştir. Baz maliyet olarak %2 hat reaktörü, akım harmoniği baz değeri olarak da frekans konvertörlü durumdaki %46,3 alınmıştır.

Tablo 5.1. Harmonik Filtreler için Performans ve Maliyet Karşılaştırma Tablosu Sistem Kombinasyonu THB1 Filtreleme Maliyet (%) Performansı(%) Oranı

KAYNAKLAR [1]. Gülşen, G., Frekans Konvertörlü İndüksiyon Motorların Harmonik Analizi ve Optimum Filtre Tasarımının Belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Mersin Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin, 2018.