Güç kalitesi nasıl ölçülür? Hangi cihazları kullanmalısınız ve neleri ölçmelisiniz?

Bu teknik makale, güç kalitesinin temelleri hakkında değil, güç kalitesi enstrümanları, verilerin nasıl okunacağı ve neyin ölçüleceği hakkındadır. Güç kalitesinin ölçümü, uygulamaya uygun uygun enstrümantasyonun kullanılmasını gerektirir. Enstrümanın kullanıcısı, enstrümantasyonun kullanımı ve bakımı konusunda iyi eğitim almış olmalıdır.

 

Mühendis, güç kalitesi alanında bilgili olmalıdır.

 

En önemlisi, mühendis güvenlik bilincine sahip olmalıdır. Tüm bu faktörler, güç kalitesi problemlerinin çözümünde eşit derecede önemlidir. Güç kalitesi çalışmasının sabır, titizlik ve azim gerektirdiğini unutmamak önemlidir. Ara sıra olmasına rağmen, bir sorunun çözümünün tesadüfen ortaya çıkması çok nadirdir.

 

Güç kalitesi ölçüm alanında çalışmanın getirdiği bazı ödüller vardır. Her güç kalitesi mühendisinin en çok değer verdiği şey, müşterilerini onlarla ilk tanıştığı zamandan daha mutlu bıraktığını bilmenin verdiği memnuniyettir.

 

İçindekiler:

1. Harmonik Analizörler
2. Geçici Bozulma Analizörleri
3. osiloskoplar
4. Veri Kaydediciler ve Grafik Kaydediciler
5. True Rms Metre
6. Cihaz Kurulum Önerisi

 

1. Harmonik Analizörler

Harmonik analizörler veya harmonik ölçerler, harmonik bozulma verilerini ölçmek ve kaydetmek için nispeten basit araçlardır. Tipik olarak, harmonik analizörleri, dalga biçimi ekranlı bir sayaç, voltaj uçları ve akım probları içerir.

 

Analizörlerin bazıları el tipi cihazlardır ve diğerleri masa üstü kullanım için tasarlanmıştır. Bazı enstrümanlar, ölçümün yapıldığı ana ilişkin dalga biçiminin ve harmonik bozulmanın anlık görüntüsünü sağlar. Diğer enstrümanlar, anlık görüntüleri kaydetmenin yanı sıra zaman içinde sürekli bir harmonik bozulma kaydı da yapabilir.

 

Açıkçası, daha fazla bilgi sağlayan birimler daha pahalıya mal olur. Güç kalitesi sorununa bağlı olarak, harmonik bozulmanın anlık görüntüleri yeterli olabilir. Bununla birlikte, diğer problemler, harmonik bozulma özelliklerinin tesis yüklemesi ve zamanla nasıl değiştiği hakkında bilgi gerektirebilir.

 

Ölçüme dahil edilmesi gereken en büyük harmonik ilgi frekansı nedir?

 

Sankaran'ın deneyimine göre (“Power Quality” kitabının yazarı), dalga formunun yapısını göstermek için 25. harmoniğe yapılan ölçümler yeterlidir. Çeşitli üreticilerin harmonik analizörleri, farklı, üst harmonik frekans ölçüm kapasitesine sahip olma eğilimindedir.

 

Harmonik bozulma seviyeleri, harmonik sayı ile önemli ölçüde azalır. Frekans içeriğini doğru bir şekilde belirlemek için, ölçüm cihazının örnekleme frekansı, ilgili en yüksek harmoniğin frekansının iki katından büyük olmalıdır. Bu kurala Nyquist frekans kriteri denir.

 

Nyquist kriterlerine göre, 25. harmonik sayıya kadar 60 Hz'lik bir temel frekans dalga formunun frekans içeriğini doğru bir şekilde belirlemek için, harmonik ölçüm cihazının saniyede minimum 3000 (25 × 60 × 2) örnekleme hızına sahip olması gerekir.

 

Şekil 1 – Harmonikler nedeniyle dalga biçimi bozulması olan akımları ölçmek için akım pensi

 

Elbette, daha yüksek örnekleme oranları gerçek dalga biçimini daha doğru bir şekilde yansıtır. Gerilim harmonik verilerinin ölçümü, bozulma ölçümlerinin gerekli olduğu noktalara bağlanabilen uçlar gerektirir. Tipik voltaj kabloları 120 ila 180 cm uzunluğundadır. Bu uzunluklarda, ilgilenilen en yüksek frekans 1500 ila 3000 Hz (25. ila 50. harmonik) aralığında olduğundan kablo endüktansı ve kapasitansı bir endişe kaynağı değildir; bu nedenle, voltaj bozulma verilerinde uçlar tarafından önemli bir zayıflama veya bozulma meydana gelmemelidir.

 

Akım harmonik bozulma verilerinin ölçülmesi bazı özel hususlar gerektirir. Akım problarının çoğu, harmonik ölçümlerin gerekli olduğu iletkenlerin çevresine uyacak şekilde tasarlanmış bir demir çekirdekli transformatör kullanır. Şekil 1'e bakın.

 

Demir çekirdekli akım probları, yüksek frekanslarda artan hataya ve nominal değerlerden daha yüksek akımlarda doygunluğa karşı hassastır. Harmonik bozulma testleri için akım problarını takmadan önce, probun doğrulukta önemli bir kayıp olmadan yüksek frekanslarda kullanıma uygun olduğundan emin olmak gerekir.

 

Üreticiler, mevcut problar için kullanılabilir frekans aralığına ilişkin veriler sağlar. Prob, maksimum 500 A RMS akım derecesi için 5 Hz ve 10 kHz frekansları arasında kullanışlıdır.

 

Şekil 2 – Gerilim ve akım harmonik ölçümleri için gerilim uçlarını ve akım probunu gösteren elde taşınabilir harmonik analiz cihazı

 

Sondanın daha yüksek frekanslarda kullanım için derecelendirilebilmesine rağmen, verilerde eşlik eden bir doğruluk kaybının olduğu unutulmamalıdır. Amaç, doğruluk kaybını mümkün olduğunca düşük tutmaktır. Daha yüksek frekanslarda, normalde bakılan akımlar ve bozulmalar, düşük frekanslardan önemli ölçüde daha düşüktür ve daha yüksek frekanslarda bir miktar doğruluk kaybı o kadar önemli olmayabilir.

 

Tipik olarak, dalga formu önemli seviyelerde yüksek dereceli harmonikler içeriyorsa, doğrulukta %5.0'lık bir kayıp beklenebilir.

 

Şekil 2, elde tutulan bir harmonik ölçüm cihazının kullanımını göstermektedir. Bu özel cihaz, 600 VAC'ye kadar olan devrelerde kullanılabilen tek fazlı bir ölçüm cihazıdır.

 

Tablo 1, küçük bir ofis binasını besleyen güç dağıtım panelinde ölçülen harmonik bozulma verilerinin bir çıktısını sağlar.

 

Tablo 1 – Bir Ofis Binasında Gerilim ve Akım Harmonik Spektrumu

 

Tablo, 31. harmonik frekansına göre gerilim ve akım harmonik bilgilerini göstermektedir. Harmonik bozulmayla birlikte harmonikler ile temel gerilim arasındaki bağıl faz açısı da verilir. Faz açısı bilgisi, harmonik akışının yönünü ve harmoniklerin kaynağının yerini değerlendirmede faydalıdır.

 

Şekil 3 – Üç fazlı harmonik ve bozulma analizörü

 

Şekil 3 - Gerilim ve akım harmoniklerini, belirli bir süre boyunca gerilim ve akım geçmişini, gerilim geçişlerini ve güç, güç faktörü ve talebi ölçmek için üç fazlı harmonik ve bozulma analizörü

 

Kayda değer bir nokta, harmoniklerin toplam RMS değerinin yüzdesi olarak gösterilmesidir. IEEE sözleşmesi, harmonikleri temel bileşenin yüzdesi olarak sunar. IEEE kuralının kullanılması, daha yüksek harmonik yüzde değerlerine neden olur. Tartışma boyunca aynı uzlaşım korunduğu sürece, hangi uzlaşımın kullanıldığı gerçekten önemli değildir.

 

Şekil 3, belirli bir süre için harmonik bozulma anlık görüntülerini ve harmonik bozulma geçmişi verilerini ölçmek için bir harmonik analizörü gösterir.

 

Şekil 4, mevcut dalga biçimini ve 5 gün boyunca paneldeki mevcut geçmişin kaydını sağlar. Geçmiş grafiğiyle birlikte harmonik bozulma anlık görüntüleri, harmoniklerin doğasını ve bunların oluşum modelini belirlemede çok faydalıdır.

 

Şekil 4 - Floresan aydınlatma sağlayan bir aydınlatma panelindeki akım dalga biçimi ve akım geçmişi grafiği

2. Geçici Bozulma Analizörleri

Geçici bozulma analizörleri, kısa süreli, alt çevrim güç sistemi bozulmalarını yakalamak, depolamak ve sunmak için gelişmiş veri toplama cihazlarıdır. Tahmin edilebileceği üzere, bu enstrümanlar için örnekleme oranları yüksektir.

 

Geçici bozulma kaydedicilerin saniyede 2 ila 4 milyon örnek aralığında örnekleme oranlarına sahip olması alışılmadık bir durum değildir. Daha yüksek örnekleme oranları, genlikleri ve frekans içerikleri açısından geçici olayları tanımlamada daha fazla doğru veri sağlar. Bu özelliklerin her ikisi de geçici analiz gerçekleştirmek için gereklidir.

 

Şekil 5 – Güç Kalitesi ve Geçici Bozulma Analizörü

 

Dalga formunun genliği, etkilenen ekipmana zarar verme potansiyeli hakkında bilgi sağlar. Frekans içeriği, olayların diğer devrelerle nasıl birleşebileceği ve bunların nasıl hafifletilebileceği konusunda bize bilgi verir.

 

Şekil 6, yaklaşık 200 kHz frekans içeriği ile 562 V'luk bir tepe genliğine ulaşan bir geçici olayı göstermektedir. Bu tür bilgiler belirlendikten sonra, ekipman duyarlılığı belirlenmelidir. Örneğin, 480 V'luk bir motora uygulanan 200 V'luk bir tepe darbesi, motor ömrü üzerinde herhangi bir etkiye sahip olmayabilir; ancak bir süreç kontrolörüne uygulanan aynı darbe, anında arızaya neden olabilir.

 

Güç kaynakları veya kapasitör filtre devreleri içeren ekipman, özellikle yüksek frekans içeriğine sahip hızlı yükselme süresi geçici akımlarına karşı hassastır.

 

Şekil 6 - 562 V'luk bir tepe ve 20 kHz'lik bir frekans içeriği ile geçişli geçici bozulma

 

Hızlı yükselme süresini veya daha yüksek frekans geçişlerini ölçerken enstrümantasyonu test noktalarına bağlamak için kullanılan tellerin uzunluğu çok önemli hale gelir. Tüm bu ölçümlerde lead’ler mümkün olduğunca kısa tutulmalıdır.

 

Genellikle, 180 cm veya daha kısa uç uzunlukları, hızlı geçişlerin ölçümlerinde önemli hatalara neden olmamalıdır. Daha yüksek frekanslarda, kablo endüktansı ve kapasitans önemli faktörler haline gelir. Geçici akım ölçümlerinde daha uzun kablo uzunluklarının kullanılması, daha yüksek endüktans ve kapasitans ve geçici dalga formunun daha fazla zayıflaması ile sonuçlanır.

 

(!) Ayrıca dış kaynaklardan gürültü alımını en aza indirmek için gerilim kabloları yüksek gerilim ve yüksek akım iletkenlerinden, kaynak ekipmanlarından, motorlardan ve transformatörlerden uzak tutulmalıdır. Lead'ler keskin kıvrımlar veya döngüler olmadan mümkün olduğunca düz tutulmalıdır. Her durumda, fazla kurşun uzunluğu asla bir bobine sarılmamalıdır.

 

Geçici akım ölçümlerinde kullanılan akım trafoları, en azından beklenen maksimum akımlara eşit bir tepe akım derecesine sahip olmalıdır; aksi takdirde, mevcut probun doygunluğu nedeniyle verilerde mevcut tepe noktaları kaybolur.

 

Şekil 7, mevcut prob doygunluğunun, düz tepeli bir akım dalga formuna ve hayati bilgi kaybına neden olduğunu ve güç kalitesi analizini daha zor hale getirdiğini gösterir.

 

Şekil 7 - Hayati tepe akım bilgisinin kaybolmasına neden olan akım trafosu doygunluğu

 

3. Osiloskoplar

Osiloskoplar, tekrarlayan yüksek frekanslı dalga biçimlerini veya güç ve kontrol devrelerinde üst üste bindirilmiş yüksek frekanslı gürültü içeren dalga biçimlerini ölçmek için kullanışlıdır. Osiloskoplar, geçici bozulma analizörlerinden çok daha yüksek örnekleme oranlarına sahiptir.

 

Saniyede birkaç yüz milyon örnekleme hızına sahip osiloskoplar yaygındır. Bu, cihazın tekrar eden gürültüyü ve yüksek frekanslı dalga biçimlerini doğru bir şekilde kaydetmesini sağlar.

 

Şekil 8, ayarlanabilir hızlı bir AC motora voltaj girişinin darbe genişlik modülasyonlu dalga biçimini gösterir. Bu tür veriler, harmonik analizörlerin ve geçici bozulma kaydedicilerin yetenekleri dahilinde değildir. Dijital depolama osiloskopları, dalga biçimi verilerini daha sonra kullanmak üzere yakalama ve saklama yeteneğine sahiptir.

 

Şekil 8 – Ayarlanabilir hızlı sürücü çıkışından darbe genişliği modülasyonlu dalga biçimi

 

Çok kanallı, dijital depolamalı osiloskoplar kullanılarak birden fazla elektrik parametresi görüntülenebilir ve saklanabilir.

 

Şekil 9, diğer enstrümantasyon kullanılarak tespit edilemeyen bir mikroçip üretim tesisinin toprak ızgarasındaki gürültüyü göstermektedir. Bu tesisteki üretimin durmasından toprak devresindeki gürültü sorumluydu. Osiloskopların doğru kullanımı için voltaj problarının seçimi esastır. Osiloskoplar için voltaj probları genel olarak pasif problar ve aktif problar olarak sınıflandırılır.

 

Pasif problar, gerekli filtreleme ve gerekli ölçek faktörlerini sağlamak için pasif bileşenleri (direnç ve kapasitans) kullanır. Pasif problar tipik olarak 300 VAC'ye kadar olan devrelerde kullanım içindir. Daha yüksek voltajlı pasif problar, 1000 VAC'ye kadar olan devrelerde kullanılabilir.

 

Şekil 9 – Bir mikroçip üretim tesisindeki bir bilgisayar merkezinin topraklama şebekesindeki elektriksel gürültü

 

 

Çoğu pasif prob, toprağa göre voltajları ölçmek için tasarlanmıştır. Sondanın zeminden izole edildiği pasif sondalar, toprağa bağlantıdan kaçınılması gerektiğinde ölçüm yapmak için kullanışlıdır. Aktif problar, ölçümlere yüksek giriş empedansı sağlamak için alan etkili transistörler gibi aktif bileşenleri kullanır.

 

Probun kendisi tarafından yüklenme nedeniyle sinyal zayıflaması olasılığını en aza indirmek için düşük seviyeli sinyalleri ölçmek için yüksek giriş empedansı gereklidir.

 

Aktif problar, pasif problardan daha pahalıdır. Yüksek frekanslı akım probu, bir osiloskop kullanarak sorunları gidermek için önemli bir aksesuardır. Akım probu kullanılarak, toprak şebekesindeki kaçak gürültü ve toprak döngüsü akımları tespit edilebilir.

 

Şekil 10 – Modüler girişlere sahip güç analizörü osiloskop stili

 

4. Veri Kaydediciler ve Grafik Kaydediciler

Veri kaydediciler ve grafik kaydediciler bazen elektrik güç sistemlerinde voltaj, akım, talep ve sıcaklık verilerini kaydetmek için kullanılır. Veri kaydediciler ve grafik kaydediciler, uzun bir süre boyunca kararlı durum verilerini ölçmek için yararlı olan yavaş yanıt veren cihazlardır.

 

Bu cihazlar, 1 sn, 2 sn, 5 sn vb. gibi önceden belirlenmiş bir sürede olayın bir örneğini kaydeder. Veriler, analiz için alınana kadar normal olarak günlükçüler içinde saklanır. Veri kaydedicilerden ve grafik kaydedicilerden elde edilen veriler, belirli bir konumdaki voltaj veya akımın uzun bir süre boyunca değişimini belirlemek için ve değerlerdeki anlık değişiklikleri belirlemeye gerek yoksa yeterlidir.

 

Bazı uygulamalarda, bu bilgi gerekli olan tek şeydir.

 

Ancak, geçici durumları içeren güç kalitesi değerlendirmelerinde bu cihazlar uygun değildir. Veri kaydedicilerin avantajı, güç kalitesi kayıt enstrümantasyonuna kıyasla nispeten ucuz olmalarıdır. Ayrıca kurulumu ve kullanımı daha kolaydır. Cihazdan gelen veriler bir metin formatında veya bir grafik formatında sunulabilir.

 

Şekil 11, bir güç trafosunun çıkışındaki akım verilerinin datalogger kullanılarak kaydedilmesidir. Veriler, her 5 saniyede bir örnek oranında üretildi. Veri kaydediciler ve grafik kaydediciler, doğrudan elektrik hatlarına kurulum için tasarlanmamıştır.

 

(!) Uygun voltaj, akım veya sıcaklık dönüştürücülerinin düşük seviyeli çıkışını kullanarak çalışacak şekilde tasarlanmıştır; bununla birlikte, dönüştürücülerin çıkışının kaçak gürültü alımı nedeniyle tehlikeye atılmamasını sağlamak için dönüştürücülerden gelen kabloların kurulumunda ve yönlendirilmesinde dikkatli olunmalıdır.

 

Ayrıca, veri kaydediciler ve grafik kaydediciler, ölçülen miktarın dalga şekli hakkında bilgi sağlamaz. Bu bilgi düzeyine ihtiyaç duyulursa, bunun yerine bir güç kalitesi analizörü kullanılmalıdır.

 

Şekil 11 – Bir aylık testler için bir veri kaydediciden alınan mevcut veriler

 

 

5. True Rms Meter (Gerçek Rms Ölçer)

Gerçek RMS terimi, güç kalitesi uygulamalarında yaygın olarak kullanılır. Gerçek RMS ölçer nedir? Akım veya voltajın RMS değeri, voltaj veya akımın temel bileşeninden önemli ölçüde farklı olabilir. Dalga formunun RMS değerine ihtiyacımız varsa bir miktarın ortalama veya tepe değerini ölçen bir sayaç kullanmak hatalı sonuçlar verebilir.

 

Harmonikler açısından zengin dalga biçimleri için, ortalama ve tepe değerleri, tamamen sinüzoidal veya sinüzoidal'e yakın dalga biçimlerinden önemli ölçüde farklı olacaktır. Bir sinyalin ortalama veya tepe değerini ölçmek ve değerleri bir RMS değeri elde etmek için ölçeklendirmek hatalara yol açacaktır.

 

Şekil 12 – True Rms Meter çalışırken

 

Örneğin, Şekil 13'te gösterildiği gibi bir kare akım dalgası düşünün.

 

Ortalama ve tepe okuma sayaçları sırasıyla 111 A ve 70.7 A RMS akım değerlerini gösterir. Kare dalga biçiminin ortalama değeri 100 A'dır. Dalga biçiminin tepe değeri de 100 A'dır. RMS değerine ulaşmak için 100 A ortalama değeri 1,11 ile çarpılır, RMS ve RMS arasındaki oran. saf sinüzoidal dalga formunun ortalama değeri 1.11'dir.

 

Tepe okuma ölçer, 100 A tepe değerini okuyacak ve 70.7 A'lık RMS değerine ulaşmak için onu 0.707 ile çarpacaktır; 0.707, RMS değeri ile saf sinüzoid dalga formunun tepe değeri arasındaki orandır. Değerlerdeki farklılıklar oldukça belirgindir.

 

Şekil 13 – Farklı sayaç türleri kullanıldığında rms ölçümlerindeki değişim

 

Şekil 13 ayrıca üçgen dalga biçimini ve her bir ölçüm cihazı tarafından rapor edilecek ilgili akım verilerini gösterir.

 

Analog panel metreler, sinüsoidal olmayan akımları ölçerken hatalı okumalar verir. Daha yüksek frekans bileşenleri nedeniyle analog sayaçlar, gerçek değerlerden daha düşük değerleri gösterme eğilimindedir. Ölçüm devresinde gerilim ve akım trafolarının bulunması da ölçümlerde ek hatalara neden olur.

 

True RMS sayaçları, doğru bir RMS değeri göstergesi üretmek için dalga formunun ısıtma etkisini türeterek bu sorunların üstesinden gelir. Sonuçta, RMS değeri, bir voltaj veya akım sinyalinin ısıtma etkisini temsil eder. Çoğu gerçek RMS ölçer, ölçülen miktarın dalga biçimine ilişkin herhangi bir gösterge sağlamaz.

 

Bunu başarmak için sayaçlar yüksek frekanslı sinyal örnekleme kabiliyeti gerektirir. Makul derecede doğru sonuçlar üretmek için örnekleme oranı Nyquist kriterlerini karşılamalıdır. Bazı masaüstü RMS sayaçları, bilgileri dalga biçimi gösterimi için bir bilgisayara göndermek için örnekleme kapasitesine ve bağlantı noktalarına sahiptir.

6. Cihaz Kurulum Önerisi

Güç kalitesi verilerini toplamak için enstrümanları kurmak, muhtemelen testin en kritik yönüdür ve ayrıca çoğu zaman nihai sonuçlara karar verebilen bir şeydir. Kurulum, azami özen gösterilmesi gereken bir zamandır.

 

İlk adım, belirli güvenlik kurallarına uyduğunuzdan emin olmaktır. Çoğu durumda, cihaz kurulumuna izin vermek için elektrikli ekipmana giden güç kapatılamaz. Tesis kullanıcıları mümkün olduğunca az kesinti, tercihen hiç kesinti istememektedir. Elektrik panoları ve dağıtım panolarının kapaklarının açılması titizlik ve sabır gerektirir. Kişisel koruyucu ekipman (KKD), güç kalitesi testinin önemli bir bileşenidir.

 

ÖNEMLİ NOT! Minimum KKD, elektrikli eldivenler, güvenlik gözlükleri ve yangın geciktirici giysiler içermelidir.

 

Panel kapaklarını çıkarırken ve cihaz problarını kurarken odada başka birinin bulunması önemlidir. İkinci kişi, güç kalitesi konusunda eğitimli olmayabilir, ancak elektrik ve bununla ilişkili tehlikeler konusunda biraz geçmişe sahip olmalıdır.