Harmonik Nedir

Elektrik şebekesinde lineer bir yük için sistemde kullanılan gerilim ve oluşan akımın dalga şekli sinus şeklindedir. Günümüzde kullanılan makinelerdeki sistemlerin (hız kontrol cihazları,kesintisiz güç kaynakları… vb.) yük karakteristiği lineer değildir. Bu sebeple sistemin kullandığı akım şekli bozulmaktadır. Örneğin birçok sanayi tesisinde kontrol sistemlerinde avantajları sebebiyle elektrik motorları motor sürücüler tarafından kontrol edilmektedir. Aşağıdaki şekilde lineer ve lineer olmayan yük karakteristiğinde akımdaki değişim gösterilmiştir.

1

İşte bu lineer olmayan sistemdeki akım dalga şekli ele alındığında; Fourier teoremi gereği herhangi bir periyodik dalga şeklini temel bileşen frekansındaki bileşen ve temel bileşeninin katlarındaki frekanslardaki bileşenlerin toplamı olarak göstermek mümkündür. Bu sebeple bu bozuk dalga şekli farklı açısal frekanslardaki bileşenler olarak ifade edilebilir. Bu sebeple 50 Hz frekansındaki bir temel bileşen ve 50 Hz’in katları frekanslardaki çeşitli bileşenlerin toplamı olarak gösterebiliriz. Ana bileşen 50 Hz, 2.harmonik 100 Hz, 3. harmonik 150 Hz, 4.harmonik 200 Hz, 5. harmonik 250 Hz … Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi ana dalga şeklimiz 1.,3.,5… harmonik dalga şekillerimizin toplamıdır. Harmonik kaynakları sebebiyle dalga şeklimiz değişmiştir. Böyle bir sistemde harmonik ölçümü yapılmalı, işaret frekans domeninde incelenmeli baskın olan harmoniklere göre önlem alınmalıdır. Böylece toplam harmonik bozunum oranı düşülerek harmoniklerin sebep olduğu olumsuz durumlar önlenmiş olur.

Elektrik şebekelerindeki dalga şekillerinin simetri özelliklerinden dolayı ile çift katsayılı harmonik (2., 4., 6. harmonik) bileşenler ile karşılaşılmaz.

Sistemlerde kullanılan başlıca harmonik kaynakları;

– Motor sürücüleri
– Kesintisiz güç kaynaklari (UPS)
– Doğrultucular (redresör) , akü şarj cihazları
– Anahtarlanabilir güç kaynakları (SMPS)
– Endüksiyon ocakları
– Kaynak makinaları
– Bilgisayarlar olarak gösterilebilir.

 Harmonik Ölçüm ve Analizi

Elektronik teknolojisinde meydana gelen hızlı gelişme sayesinde harmonik ölçümleri basit bir şekilde yapılabilmektedir. Harmonik ölçümünde sabit pano montajlı veya portatif cihazlarla ölçüm yapılır.

Enerji kalite analizörleriyle yapılan ölçümlerde;

– Gerilim değerleri,
– Akım değerleri,
– Gerilim anomalileri (anlik gerilim düşmeleri ve yükselmeleri gibi)
– Akım, gerilim, güç maximum minumum değerleri
– Frekanstaki değişimler
– Akım ve gerilim dalga formundaki değişimler
– Aktif güç (P)
– Endüktif reaktif güç (Qi)
– Kapasitif reaktif güç (Qc)
– Görünen güç (S)
– Güç faktörü (PF)
– Toplam gerilim harmonik bozulma değeri (THDv)
– Toplam akım harmonik bozulma değeri (THDi)
– Ayrı ayrı gerilim harmonikleri (3.,5.,7. … 51. harmonik )
– Ayrı ayrı akım harmonikleri (3.,5.,7. … 51. harmonik )
– Enerji durumu… gibi veriler elde edilmektedir.

Alınan harmonik ölçümlerine örnek olarak aşağıda iki adet grafik gösterilmiştir. Ölçüm cihazlarından daha detaylı ölçümler alınmaktadır.

Harmonik Bozunum Grafiği
2
Harmonik Değerler Grafiği
3
Akım – Gerilim Dalga Formu

4

 

Harmoniklerin Zararları

Harmonikler besleme sistemlerinde ve cihazlar üzerinde problemler meydana getirir. Başlıca bu problemleri listelersek;

– Kompanzasyon kondansatörlerinin aşırı yüklenerek çok kısa sürede bozulması
– Nötr akımının artması
– Transformatörlerin ısınması, kayıpların artması
– Devre kesicilerde ve diğer kontrol sistemlerinde istenmeyen sebebi belirsiz açılmalar
– Kompanzasyon kademe sigortalarının açılması
– İletişim sistemlerinde parazitlerin oluşması
– Elektronik cihazlarda kart arızalarının meydana gelmesi
– Kontrol sistemlerinde beklenmeyen duruşlar ve arıza kodlarının oluşmasını sayabiliriz.

Tüm bu problemlerden korunmak için sisteminiz ile ilgili ölçüm ve analizler yapılmalıdır. Sistem komple olarak ele alınmalı ve buna uygun çözüm sunulmalıdır. Bu çözümler ;

– Pasif harmonik filtre uygulamaları
– Aktif harmonik filtre uygulamaları
– Harmonik kaynakları üzerinde çeşitli önlemler almak olarak sıralayabiliriz.

 

 Pasif Harmonik Filtre – Paralel

Sistemdeki harmoniklerin varlığı ve detaylı incelenmesi kalite analizörleri ile kolayca yapılabilmektedir.

Endüstri tesislerinde kompanzasyonla birlikte görülebilecek problem paralel rezonans olayıdır. Paralel rezonans durumunda,trafos siteminin empedansı ile kompanzasyon amaçlı kullanılan kondansatör grupları arasında devrenin şebekeden çekeceği akım azalır. Böyle bir durumda, endüktans ve kapasitelerde dolaşan akım büyük değerlere ulaşır. Rezonansların oluşması, sistemde arıza ve hasarlar meydana getirir.

Pasif filtre kondansatör ile reaktörün seri bağlanması sonucu elde edilen temel olarak rezonans durumunu engelleyen filtredir. Sistemde kurulu olan kompanzasyon sistemi

5

Odaklanmamış filtrede denilen detuned filtreler güç faktörü düzeltilmesi için çıplak kondansatör kullanılan sistemlerde rezonans durumunu engellemek için tesis edilir. Aynı zamanda harmonik akımlardan kaynaklanan kondansatör üzerindeki yüklenmeyi de engeller.

Odaklanmış filtrede denilen tuned filtreler ise belli bir yüklenme sonucu oluşmuş harmonik akımlarının çoğunu filtrelerler.

 

Pasif Harmonik Filtre – Seri

LCL-Matrix filtre altı darbeli güç konvertörlerinden dolayı oluşan 5. ve 7. akım harmoniklerini dolayısıyla sistemdeki toplam akım harmoniği değerini düşüren filtrelerdir. LCL filtreler ile akım ve gerilim dalga şeklinde oluşan mikro kesintiler engellenir, makinenizin kullanım ömrü artar, enerji kalitesi artar, güç faktörü değerini yükseltir, toplam akım harmonik değerini %10’un altına düşürmeyi garanti eder. Çoğu zaman motor sürücüleri üzerinde “with filters” yazılıdır. Burdaki filtre EMI filtresi olup harmonikler üzerine etkisi yoktur.

Aşağıdaki şekilde görüldüğü LCL filtre kullanılmadan önce ve kullanıldıktan sistem analizi yapılmıştır. Filtre kullanılmadan önce %50’lerde olan 7.harmonik değeri ,%25’lerde olan 5. harmonik değeri ve %31 olan toplam harmonik bozunum filtre kullanımından sonra %10’ların altına düşmüştür.
6

EMI Filtreler

UPS, SMPS ve sürücüler akım ve gerilimin hızlı değişimine bağlı olarak genliği 100 mV ile 100 V, frekansı 10 kHz ile 1 GHz aralığında küçük enerjili bozucu işaretler üretirler. Bu işaretler diğer elektronik devrelerde ve cihazın kendi iç çalışmasında bozucu elektromanyetik girişimlere neden olurlar. Bu işaretlere elektromanyetik bileşen içeren ( electromagnetic interfaces – EMI ) işaret denir. EMI radyasyon ve iletim olmak üzere iki biçimde iletilir.

EMI filtresini üç ve dört telli olmak üzere iki çeşidi vardır. Üç telli filtreler (nötr çizgisiz) frekans konvertörü ve sürücülerin oluşturduğu EMI işaretleri filtrelemek İçin kullanılır. Dört telli filtreler UPS’lerin oluşturduğu EMI işaretleri filtrelemek için tasarlanmıştır ve nötr hattınıda kullanırlar.

7

Güç konvertörlerinin çıkış kabloları yüksek frekans akımları taşır. Güç konvertörü çıkışından motora giden kabloların yalıtılmış olması gerekir. Ancak çoğu zaman bu kablonun bir kısmı yalıtılmış değildir. Bu sebeple dönüştürü çıkışında kullanılacak yüksek frekans bastırıcıları yüksek frekans akımlarını önler.

 

 Giriş ve Çıkış Reaktörleri

DC veya AC motorlarda kullanılan sürücüler, UPS’ler, genel anlamda güç transistorleri kullanan sistemler devreye bağlandıkları noktanın önünde ve arkasında büyük oranda harmonik bozunum, parazit, DC motorlarda motor tarafında aşırı düzeyde ripple gibi çeşitli bozucu işaretler meydana getirir.

Tüm bu durumlar sürücü ve diğer elektronik elemanları olumsuz yönde etkiler. Bu bozucu işaretlerin olumsuz etkilerini önlemek için giriş ve çıkış reaktörleri ( Şok Reaktörü , Şok Bobini ) kullanılır. Aşağıdaki şekilde reaktör kullanıldığı ve kullanılmadığı durum için dalga şeklinde meydana gelen değişim gösterilmiştir. Harmoniklerin sebep olduğu olumsuz durumlar;

– Elektronik kart arızaları yaşanır,
– Motor problemleri yaşanır,
– Tüm elektriksel donanım için hızlı yaşlanma başlar.

8

Bu olumsuzlukları önlemek için sürücü reaktörleri kullanılmalıdır. Motor sürücü giriş reaktörleri;

– Harmonikleri azaltır,
– Dalga şekli üzerinde oluşan çentik (notches), ripple ve parazitleri önler,
– Sağladığı gerilim düşümü ile sürücüyü yüksek gerilimden korur,
– Sistem ömrünü uzatır.
 

  • Halil İbrahim

    Teşekkürler. Çok bilgilendirici bir yazı.