Harmonik Nedir?
 

Yarı iletken elemanların tabiatı gereği ve sanayide kullanılan bazı nonlineer yüklerin (transformatör, ark fırınları v.b.) etkisiyle, akım ve gerilim dalga biçimleri, periyodik olmakla birlikte sinüsoidal dalga ile frekans ve genliği farklı diğer sinüsoidal dalgaların toplamından meydana gelmektedir. Temel dalga dışındaki sinüsoidal dalgalara harmonik denir.

Şekil 1: Nonlineer Bir Yükün Sebep Olduğu Harmonik Bozulma Devresi


► İlginizi Çekebilir: Herşeyde Bir Sinüs Var | Fourier Serisi 

Şekil 2: Belli Başlı Harmonik Kaynaklı Yüklerin Karakteristikleri

 

Harmoniklerin Etkileri 

 

► Generatör ve şebeke geriliminin bozulması
► Gerilim düşümünün artması
► Kompanzasyon tesislerinin aşırı reaktif yüklenme ve dielektrik zorlanma nedeniyle zarar görmesi
► Enerji sistemindeki elemanlarda ve yüklerde kayıpların artması
► Senkron ve asenkron motorlarda moment salınımlarının ve aşırı ısınmanın meydana gelmesi
► Endüksiyon tipi sayaçlarda yanlış ölçmeler
► Uzaktan kumanda, yük kontrolü vb. yerlerde çalışma bozuklukları
► Şebekede rezonans olayları, rezonansın neden olduğu aşırı gerilimler ve akımlar
► Koruma ve kontrol düzenlerinde sinyal hataları
► İzolasyon malzemesinin delinmesi
► Elektrik aygıtlarının ömrünün azalması
► Sesli ve görüntülü iletişim araçlarında parazit ve anormal çalışma
► Mikroişlemciler üzerinde hatalı çalışma
► Elektromekanik cihazlarda ve kablolarda ısınma
► Makinelerde mekanik titreşimler (vibrasyon)
► Ateşleme devrelerinin anormal çalışması
► CAD/CAM terminallerinde hafızaların silinmesi
► Elektronik kart arızaları
► Güç kondansatörlerinde güç kayıpları, delinmeler ve patlamalar
► Kompanzasyon sigortalarında atmalar
► Kesici ve şalterlerde açmalar
► Röle sinyallerinin bozulması ve anormal çalışması
► Enerji kayıpları
 

Tablo 1: Harmoniklerin etkileri ve izin verilen normal seviyeleri

Bu etkiler içinde teknik ve ekonomik yönden en olumsuz sonuçlara yol açanları, kayıplardaki artış ve sistem ölçü cihazlarındaki hata paylarının artması şeklinde özetlemek mümkündür. Bunlardan birincisi omik direnç içeren tüm tesis elemanları üzerinde ek harmonik kayıplara yol açmaktadır. İkincisi ise ölçü ve kayıt cihazlarındaki istenmeyen hata miktarlarının oluşması, bir başka deyişle kayıt/ölçüm hatalarının artmasıdır.
 

Bozulmanın Giderilmesi

Harmonikleri bastırmanın veya en azından etkilerini azaltmanın olası dört yolu vardır.
 

1) Oluşmuş Harmonik Akımlarını Azaltma
 

a) Şok Bobini:

Güç kaynağına seri olarak 3 fazlı bir şok bobini takılmaktadır (veya frekans değiştirici için DC hattına entegre edilmektedir). Hattın akım harmoniklerini (özellikle de sayıca fazla olan harmonikleri) ve böylece de enversör bağlantı noktasındaki bozulmayı ve akım tüketiminin RMS değerini azaltmaktadır. Şok bobinini, harmonik üreticisini etkilemeden takmak ve şok bobinlerini birden fazla tahrik için kullanmak mümkündür.
 

b) Tesisatı Değiştirme:
 

c) 12 Fazlı Doğrultucu Kullanma:

Burada, akımlar birleştirilerek 5 ve 7 gibi düşük sıradaki harmonikler şebeke tarafından ortadan kaldırılmaktadır (genellikle büyük genliklerden dolayı en fazla kesintiyi bunlar yaratmaktadır). Bu çözüm bir trafo ile iki sekonder sarım (yıldız ve üçgen) gerektirmektedir ve sadece 12k±1 sayılı harmonikleri üretmektedir.

Şekil 3: Anti-Harmonik Şok Bobininin Tesisat Empedansı Üzerinde Etkileri

2) Filtreleme

Gh/Sn > %60 olduğunda uzmanlar harmonik filtresini hesaplamalı ve takmalıdır.

a) Pasif Filtreleme

Bu teknik, pasif bileşenleri (endüktans, kondansatör, direnç) kullanarak, genliği düşürülecek olan frekanslara düşük empedanslı bir by-pass bağlamayı gerektirmektedir. Farklı bileşenleri ortadan kaldırmak için birbirine paralel bağlı türdeki pasif filtreler gerekebilir.Çalışma mantığı olarak; paralel kol olarak tasarlanan pasif filtre düzeneği, tasarlandığı harmoniğin frekans değerinde seri rezonans oluşturarak harmonik akımını sisteme zarar vermeden toprağa aktarır. Harmonik filtreleri boyutlandırılırken çok dikkatli olunmalıdır; kötü dizayn edilmiş pasif bir filtre rezonansa yol açabilir ve filtrenin montajından önce kesintiye neden olmayan frekansları yükseltebilir.

b) Aktif Filtreleme

Bu yöntem, yük tarafından tüketilen harmoniklerin analiz edilmesiyle yükün yaydığı harmonikleri nötr hale getirmekten ve aynı harmonik akımını uygun fazla yeniden eski durumuna getirmekten ibarettir. Temel olarak çalışma mantığı; aktif filtre devreye bağlandığı noktadaki akımı ölçerek, içeriğindeki güç elektroniği devresi ile tespit ettiği harmoniğin tam ters işaretlisini kendi tetikleme devresi ile üreterek sisteme enjekte eder.

c) Karma Filtreleme

Hibrit filtre olarak da bilinen bu yöntemde, gerekli reaktif gücü sağlayan hakim harmonik (örneğin 5) sırası için bir aktif filtre ve bir pasif filtre setinden ibarettir.

Tablo 2:  Pasif, Aktif ve Karma Filtreleme Prensipleri ve Özellikleri


► İlginizi Çekebilir: Elektriği Neden Sinüsoidal Formda Kullanıyoruz? 

3) Özel Durum: Devre Kesiciler

Harmonikler, koruyucu cihazların istem dışı açılmasına neden olabilir. Bunu önlemek için koruyucu cihazları seçerken dikkatli olunmalıdır. Devre kesicilere iki tip açma cihazı monte edilebilir; 'termik-manyetik veya elektronik'. Termik-manyetik devre kesicilerin ısı sensörleri özellikle harmoniklere karşı duyarlıdır ve harmoniklerinin varlığının neden olduğu iletkenlerin üzerindeki gerçek yükü tanımlayabilir. Bu nedenle devre kesiciler, düşük akım devrelerinde, özellikle evsel ve endüstriyel uygulamalar için çok uygundur.


4) Güç Değerini Düşürme

Bu çözüm bazı cihazlara uygulanabilmektedir ve harmoniklerin neden olduğu kesintiye karşı basit ve genellikle yeterli bir tepkidir.

Kaynak: 
 

Bu yazı, Elektrik Tesisat Mühendisleri (ETMD)'nin izni ile yayınlanmıştır.

► Prof. Dr. Muğdeşem Tanrıöven

Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü

► Elk. Müh. Rıza İnce 

HB Teknik Proje ve Dan.Ltd.Şti