Bina aydınlatmasında kullanılan led ve kompakt floresan lambaların güç kalitesine etkileri
Effects of led and compact fluorescent lights used in building lighting on power qualiyt
Yazar: TÜLAY BAYRAKDAR
Danışman: PROF. DR. ERTAN YANIKOĞLU
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
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.

Abstract:
The term power quality has an important place in electrical networks today due to electronic equipment that started in the 1980s and increased with the development of technology day by day. The main reason for the interest in power systems in terms of electricity generation, distribution and end users in electrical systems is the critical economic aspect. Because the systems used are advantageous in terms of electronic equipment, energy efficiency and sensitivity to deviations in source voltage when compared to conventional systems. Other reasons for this interest can be exemplified as new generation power equipment, interconnected structure of networks, efficiency of power systems, awareness of end users against power quality problems, privatization of electricity establishments and increasing energy consumption. Power quality consists of some parameters such as the constancy of voltage and frequency, continuity of energy, balanced phase voltages, power factor close to 1, and the amount of harmonic in the voltage remaining at a certain level. 
During the generation, transmission and distribution of energy, current and voltage in electrical power systems are expected to be at 50 Hz frequency and waveforms are expected to be sinusoidal. These parameters are the most important factors for electrical energy quality. However, current and voltage waveforms move away from the sinusoidal form as non-linear loads in electrical systems cause harmonic formation. Therefore, they cause significant problems in electrical power systems. One of the most important causes of these problems in electrical energy systems is the negative effect of harmonics on the grid, and in this thesis, harmonics occurring in lighting systems are examined. Information about the formation of harmonics, the sources that cause this formation, the harmful effects of harmonics and how to eliminate harmonics are given.
Today, a large percentage of electricity consumption is spent on artificial lighting, so an inefficient lighting wastes resources. In recent years, compact fluorescent lamps (KFLs) used in general lighting applications have been replaced by light-emitting diodes (LEDs), which are used as high-efficiency, long-lasting light sources. Since the driver circuits consisting of power electronics elements used in these lamps have non-linear characteristics, power quality problems are increasing. These non-linear loads cause distortion of waveforms and formation of harmonics in electrical installations. Harmonics in the system can cause economic and some undesirable technical problems. In order to avoid these problems, system requirements should be determined and designs should be made in accordance with the limit values given by international standards.
This thesis is the study and analysis of harmonics, energy consumption and power quality of LED and compact fluorescent lamps in building lighting systems. It is recognized worldwide that energy saving and improving energy efficiency are key issues to address problems caused by existing or used power electronic elements in the system. One of the methods used to improve energy quality is to increase energy saving and energy efficiency in buildings. LED is the most popular energy efficient lighting source used in many application areas. However, the power quality problem caused by the power electronics equipment used in LED and compact fluorescent lamps should also be considered. Because LEDs and KFLs have a driver, a switching device that can generate harmonics and electromagnetic interference (EMI), it is important to control sound and noise reduction to prevent negative effects on the building's electrical system. In this framework, the harmonics produced by the drivers used by these lamps will be measured and the filters that will drive these harmonics will be calculated. The studies were carried out both practically and in computer environment with Matlab program. In this study, LED luminaires operated with KFL and drivers belonging to two different brands were examined. Power quality analysis of different lighting systems Harmonic measurements of KFL and LED luminaires were taken in the laboratory using the Fluke 43B Power Quality Analyzer, which is class A according to IEC 61000-4-30 standard. As stated in the total harmonic distortion description, the current waveform is affected by high distortions, while the voltage waveform maintains its sinusoidal form. The voltage is not dependent on the total harmonic distortion load condition. Voltage harmonics produced by the interaction between current harmonics and very low grid equivalent impedance are negligible. The small value of the voltage total harmonic distortion is only due to the harmonic pollution already present in the network. In this experiment, 53 W, 39 W LED luminaires and 79 W fluorescent lamps were used. Although these luminaires have different power values, they have the same lumen values according to the results of the light test. LED drivers and electromagnetic ballast used in luminaires are selected from different manufacturers. According to the measurement results obtained, passive filter design was made for harmonic values that do not comply with the standards by using the MATLAB program. For luminaires with rated current ≤ 16 A and active input power > 25 W, harmonic measurement results were compared using current harmonic limit values according to IEC 61000 series. When the harmonic filter design and harmonic measurement results are examined, since the current harmonics of the LED luminaire with KFL and A brand driver are higher than the limit values allowed by the IEC 61000-3-2 standard, it was deemed appropriate to reduce the current harmonics by designing a harmonic filter. The simulation results are modeled in the MATLAB program of the LED luminaire with KFL and A brand driver. 4 different filters for KFL and LED luminaire are designed in MATLAB environment. The current total harmonic distortion values were calculated by performing fast Fourier transform (FFT) analysis with the MATLAB program of the filters added to the LED luminaire with KFL and A brand driver by performing performance analysis. After adding the filter circuits, the low-pass filter with a cut-off frequency of 150 Hz showed the best results. The products used have different power values. In this case, the total current harmonic distortion in the KFL unfiltered condition is better than the type of LED luminaire with A brand driver, but since the lumen outputs of the products are approximately the same, the most inefficient luminaire is observed as the KFL. When filtered cases are compared, A brand driver LED luminaire absorbs harmonic currents better.
As a result of this examination, passive filter design was made to eliminate the harmonics formed and the harmonic current values were compared. The circuit elements used in the designed filters are selected with the highest frequency causing harmonic formation, and different results are obtained by designing 4 different filters in the MATLAB environment.
Thus, the harmonic components of the KFL and A brand driver LED luminaires used in lighting systems were removed by the use of passive filters, and the current waveform moving away from the sinusoidal form was brought closer to the sinusoidal form, and the problem of poor quality in electrical energy was eliminated.
In addition, as a result of the light tests, it was observed that LED luminaires have the same lumen output as KFL at lower power values. LED luminaires are more efficient, economical and long-lasting than KFL.

Considering the increasing energy costs today, it is known that LED luminaires have become more important and are widely used.