Bina aydınlatmasında kullanılan led ve kompakt floresan lambaların güç kalitesine etkileri

Enerjinin üretilmesi, iletilmesi ve dağıtılması sırasında elektrik güç sistemlerinde akım ve gerilimin 50 Hz frekansında, dalga şekillerinin ise sinüzoidal olması beklenmektedir. Bu parametreler elektrik enerjisi kalitesi için en önemli faktörlerdir. Fakat elektrik sistemlerinde bulunan doğrusal olmayan yüklerin harmonik oluşumuna neden olması ile akım ve gerilim dalga şekilleri sinüzoidal formdan uzaklaşırlar. Bu yüzden elektrik güç sistemlerinde önemli problemlere yol açarlar. Elektrik enerji sistemlerinde oluşan bu problemlerin en önemli sebeplerinden biri harmoniklerin şebekeye vermiş olduğu olumsuz etkidir ve bu tezde aydınlatma sistemlerinde oluşan harmonikler incelenmiştir. Harmoniklerin oluşumu, bu oluşuma sebep olan kaynaklar, harmoniklerin zararlı etkileri ve harmoniklerin nasıl giderileceği gibi temel konular hakkında bilgi verilmiştir. Günümüzde, elektrik tüketiminin büyük bir yüzdesi yapay aydınlatmada harcanmaktadır, bu nedenle verimsiz bir aydınlatma, kaynakların boşa harcanmasına neden olmaktadır. Son yıllarda, genel aydınlatma uygulamalarında kullanılan kompakt floresan lambaların (KFL) yerini yüksek verimli, uzun ömürlü ışık kaynağı olarak kullanılan ışık yayan diyotlar (LED) almıştır. Bu lambalarda kullanılan güç elektroniği elemanlarından oluşan sürücü devreleri non-lineer karakteristiğe sahip olduğundan dolayı güç kalitesi problemleri giderek artmaktadır. Doğrusal olmayan bu yüklerin elektrik tesislerinde dalga şekillerinin bozulması ve harmoniklerin oluşmasına neden olmaktadır. Sistemdeki harmonikler ekonomik ve bazı istenmeyen teknik sorunlara yol açabilirler. Bu problemler ile karşılaşmamak için sistem gereksinimleri belirlenmeli ve tasarımlar uluslararası standartlar tarafınca verilen limit değerlerine uygun bir şekilde yapılmalıdır. Bu tez, bina aydınlatma sistemlerinde bulunan LED ve kompakt floresan lambaların harmonikleri, enerji tüketimi ve güç kalitesinin incelenmesi ve analizi çalışmasıdır. Enerji tasarrufunun ve enerji verimliliğinin iyileştirilmesi için sistemde var olan ya da kullanılan güç elektroniği elemanları sebebiyle oluşan problemleri ele almak için temel konular olduğu dünya çapında kabul edilmektedir. Enerji kalitesini iyileştirmek için kullanılan yöntemlerden biri, binalarda enerji tasarrufu ve enerji verimliliğini artırmaktır. LED, birçok uygulama alanında kullanılan en popüler enerji verimli aydınlatma kaynağıdır. Ancak LED ve kompakt floresan lambalarda kullanılan güç elektroniği ekipmanlarının neden olduğu güç kalitesi sorunu da dikkate alınmalıdır. LED ve KFL'ler, harmonikler ve elektromanyetik parazit (EMI) oluşturabilen bir anahtarlama cihazı olan sürücüye sahip olduğundan, binanın elektrik sistemi üzerindeki olumsuz etkilerini önlemek için ses ve gürültü azaltmayı kontrol etmek önemlidir. Bu çerçeve de bu lambaların kullandığı sürücülerin ürettiği harmonikler ölçülecek ve bu harmonikleri sürecek olan filtreler hesaplanacaktır. Çalışmalar hem pratik olarak hem de bilgisayar ortamında Matlab programı ile gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada KFL ve iki farklı markaya ait sürücülerle çalıştırılan LED armatürler incelenmiştir. Farklı aydınlatma sistemlerinin güç kalitesi analizi IEC 61000-4-30 standardına göre A sınıfı olan Fluke 43B Güç Kalitesi Analizörü kullanılarak laboratuvar ortamında KFL ve LED armatürlerin harmonik ölçümleri alınmıştır. Total harmonik distorsiyon açıklamasında belirtildiği gibi akım dalga şekli yüksek bozunumlardan etkilenirken gerilim dalga şekli sinüzoidal formunu korumaktadır. Gerilim total harmonik distorsiyon yük durumuna bağlı değildir. Akım harmonikleri ile çok düşük şebeke eşdeğer empedansı arasındaki etkileşim tarafından üretilen gerilim harmonikleri ihmal edilebilir düzeydedir. Gerilim total harmonik distorsiyonun değerinin küçük olması yalnızca şebekede zaten mevcut olan harmonik kirlilikten kaynaklanmaktadır. Bu deneyde 53 W, 39 W LED armatür ve 79 W floresan lamba kullanılmıştır. Bu armatürler farklı güç değerlerine sahip olmakla beraber yapılan ışık testi sonucuna göre aynı lümen değerlerine sahiptirler. Armatürlerde kullanılan LED sürücüler ve elektromanyetik balast farklı üreticilerden seçilmiştir. Alınan ölçüm sonuçlarına göre MATLAB programı kullanılarak standartlara uygun olmayan harmonik değerleri için pasif filtre tasarımı yapılmıştır. Nominal akımı ≤ 16 A ve aktif giriş gücü> 25 W olan armatürler için IEC 61000 serisine göre akım harmonik limit değerleri kullanılarak harmonik ölçüm sonuçları karşılaştırılmıştır. Harmonik filtre tasarımı, harmonik ölçüm sonuçları incelendiğinde KFL ve A marka sürücüye sahip LED armatürün akım harmonikleri IEC 61000-3-2 standardının izin verdiği limit değerlerinden yüksek çıktığı için harmonik filtre tasarımı yapılarak akım harmoniklerinin düşürülmesi uygun görülmüştür. Simülasyon sonuçları KFL ve A markalı sürücüye sahip LED armatür MATLAB programında modellenmiştir. KFL ve LED armatür için 4 farklı filtre MATLAB ortamında tasarlanmıştır. Performans analizi yapılarak KFL ve A marka sürücülü LED armatüre eklenen filtreler MATLAB programı ile hızlı Fourier dönüşümü (FFT) analizi yapılarak akım total harmonik distorsiyon değerleri hesaplanmıştır. Filtre devreleri eklendikten sonra en iyi sonucu kesim frekansı 150 Hz olan alçak geçiren filtre göstermiştir. Kullanılan ürünler farklı güç değerlerine sahiptirler. Bu durumda KFL filtresiz durumda toplam akım harmonik distorsiyonu A markalı sürücüye sahip LED armatür türüne göre daya iyi çıkmıştır fakat ürünlerin lümen çıkışları yaklaşık olarak aynı olduğu için en verimsiz armatür KFL olarak gözlemlenmektedir. Filtreli durumlar karşılaştırıldığında ise A marka sürücü LED armatür harmonik akımları daha iyi absorbe etmiştir. Bu inceleme sonucunda oluşan harmoniklerin giderilmesi için pasif filtre tasarımı yapılmıştır ve harmonik akım değerleri karşılaştırılmıştır. Tasarlanan filtrelerin içinde kullanılan devre elemanları, harmonik oluşumuna sebep olan en yüksek frekans seçilerek MATLAB ortamında 4 farklı filtre tasarımı yapılarak farklı sonuçlar elde edilmiştir. Böylece aydınlatma sistemlerinde kullanılan KFL ve A marka sürücülü LED armatüre ait harmonik bileşenler pasif filtre kullanımı ile giderilmiş ve sinüzoidal formdan uzaklaşan akım dalga şekli sinüzoidal forma yakın hale getirilmiştir ve elektrik enerjisinde kalitesizlik problemi ortadan kaldırılmıştır. Ayrıca yapılan ışık testleri sonucunda LED armatürlerin daha düşük güç değerlerinde KFL ile aynı lümen çıkışına sahip olduğu gözlemlenmiştir. LED armatürler KFL'ye göre daha verimli, ekonomik ve uzun ömürlüdürler. Günümüzde artan enerji maliyetleri göz önüne alındığında LED armatürlerin daha önemli hale geldiği ve yaygın olarak kullanılmaya başladığı bilinmektedir.