Harmonikler ve Harmonik Üreticileri:
Nonlineer Elemanlar

Elektronik cihazların hayatımızdaki yeri ve önemi her geçen gün biraz daha artıyor. Teknolojinin son yıllarda dur durak bilmeyen gelişimi hayatımızı kolaylaştıracak birçok olumlu etki sağlarken geri planda da insanları ve doğayı, bir dizi olumsuz etkiye maruz bırakmakta. İnsanları ve çevreyi etkileyen hepimizin bildiği manyetik alan etkisinin yanında her geçen gün daha fazla önem kazanan enerji verimliliği ve güç kalitesi konuları da elektrik mühendislerini her geçen gün biraz daha meşgul eder hale geldi. Bu yazımda son yıllarda büyük önem arz eden güç kalitesinde bozulmalara neden olan harmonikleri inceleyeceğiz.

A- A+

24.09.2014 tarihli yazı 25041 kez okunmuştur.

Harmonik Harmonik Etkisi Harmonikler Nonlineer Elemanlar Nonsinüsodial Harmonik Üreticileri 3. Harmonik Sinüsodial Form Güç Kalitesi Enerji Verimliliği

Günlük hayatımızda kullandığımız akım ve gerilim bildiğiniz gibi sinüsodial dalga yapısındadır. Elektrikli enerji sistemlerinin ve bu sisteme bağlı olarak çalışan elektrikli cihazların arıza vermeden ve düzgün çalışabilmesi için sinüsodial dalga şeklinin korunması ve frekansında 50 Hertz seviyesinden şaşmaması gerekmektedir. Güç sistemlerinde bu sinüsodial dalga yapısının bozulması, sistemde harmonikli akım ve gerilim olduğuna dair bir göstergedir. Saf sinüs özelliğini kaybetmiş dalgalar nonsinüsodial dalga olarak adlandırılmaktadır.

► İlginizi Çekebilir: Elektriği Neden Sinüsoidal Formda Kullanıyoruz?

Akım ve gerilim dalgalarındaki sinüsodial şekilden, nonsinüsodiale geçiş hem elektrik şebekesine hemde elektrikli cihazlara zarar verip kullanılmaz hale getirmektedir.

Harmonik Nedir ?

Elektriksel yükler çektiği akımlara ve dalga şekillerine göre lineer ve nonlineer yükler olarak ikiye ayrılmaktadır. Lineer yüklerde; yükle yükün üzerinden geçen akım arasında doğrusal bir ilişki vardır. Nonlineer yükler de ise bu ilişki düzensiz yapıdadır. Örneğin; nonlineer elemanlar sinüsodial bir gerilime maruz bırakıldığında sinüsodial olmayan akım çeken bir yapıya sahiptir. Nonlineer yükler tarafından çekilen akım temel frekansın tam katlarında frekansa sahip akımları da içermektedir. Temel frekansa göre yüksek frekansta kabul edilen bu akımlar ’’Harmonik’’ olarak adlandırılmaktadır.

Normal çalışan, arızasız bir işletmede harmonik oluşumun ana nedenleri sistemdeki elemanların ve kaynağın karakteristiğidir. Yani sistemde nonlineer eleman ile nonsinüsodial kaynaklardan herhangi birinin ya da her ikisinin de sistemde var olması durumunda harmonikler gözlemlenmektedir. Harmonik akımlarının oluşumuyla birlikte yukarıda bahsettiğimiz gibi sinüsodial yapıda olan dalga şekli nonsinüsodial şekle dönmektedir.

Saf Sinüs Dalgasına 2., 3. ve 4. Harmoniğin Etkisi

Sinüs dalgasının bozulması istenilen bi durum değildir. Sinüs formundaki bozulmalar distorsiyona (fazladan güç çekimi) ve arızalara neden olmaktadır. Harmonik sorunuyla ilk kez elektrik enerjisinin demir yollarında kullanılmaya başlanıldığı zaman yani alternatif akımın doğru akıma çevriminde kullanılan civalı ark redresörlerinde ve DA sürücülerinde görülmüştür. Özellikle son yıllarda yüksek bi ivme kazanan teknolojik gelişmeler ve bu gelişmelerin yarı iletken eleman tabanlı olması yaşanan harmonik sorunlarını her geçen gün biraz daha arttırmıştır ve daha da arttıracağa benzemektedir.

Hem harmoniklerin analizini yapmak için hemde harmoniklerin zararlı etkilerinden kurtulmak amacıyla yapılan çalışmaların temeli ünlü "Fourier Serisi" ne dayanmaktadır. Sinüsodial bozulmanın ana nedeni ana frekansın tam katları olan frekanslara sahip sinüsodial bileşenlerdir. Bu bileşenlerin her biri ‘’harmonik’’ olarak adlandırılmaktadır.

Harmonik Üreticileri: Nonlineer Elemanlar

Son yıllarda sıkça duyduğumuz ve her geçen gün biraz daha önem kazanan güç kalitesi olgusu, iletilen ve dağıtılan enerjinin belirli şartları taşıması gerekleri üzerine kuruludur. Bu gereklere bozucu etki yapan etmenlerden birisi de harmoniklerdir. Yaptıkları bozucu etkiyle harmoniklerin ana üretim kaynağı olan nonlineer elemanlar hem elektriksel olarak hem manyetik olarak sistemde lineerliği bozucu etkiler yapmaktadır. Toparlayacak olursak nonlineer elemanlar; akım ve gerilim arasındaki ilişkisi lineer (doğrusal) olmayan elemanlardır.

Şimdi her biri ayrı bir harmonik kaynağı olan “Nonlineer Eleman“ ları inceleyeceğiz:

►Transformatörler

►Statik Dönüştürücüler (Konvertörler)

►TV, Bilgisayarlar

►Yarıiletken Elemanlar

►Endükitf Balastlar

►Statik VAr kompanzatörleri

►Kesintisiz Güç Kaynakları

►Fotovoltaik Sistemler

►Gaz Desajlı Lambalar

►Elektrikli Ulaşım Araçları

►Bobinler

1- Transformatörler

Güç sistemlerinin olmazsa olmazlarından olan transformatörler yapı olarak demir çekirdeğe sahip bobinlerden oluşmaktadır. Bu bobinlerde bulunan demir çekirdeklerin mıknatıslanma karakteri lineer olmadığı için transformatörler doyuma gitmekte ve bunun sonucunda harmonikler üretmektedir.

Transformatörler tasarlanırken sinüzodial gerilimle çalışma altında lineer mıknatıslama karakteristiği bölgesinde sinüzodial çıkış verecek şekilde planlanmaktadır.

Transformatörlerin belirlenen nominal değerinin altında ya da üstünde çalışması nüvenin daha fazla doyuma geçmesine ve harmonik akımlarının hızlı bir şekilde artmasına neden olabilmektedir.

Transformatörlerden Akan Harmonik Akımları

Transformatörlerin mıknatıslanma özelliğinden kaynaklanan üç ve üçün katı olan harmonikler şu yollarla yok edilebilmektedir:

►Transformatörün sargılarının bağlanış tarzı (bağlanma grubu)
►Primeri yıldız bağlanmış sargılarda, yıldız noktasının şebekenin nötrüne bağlanıp bağlanmamasına,
►Transformatörlerde mıknatıslanmanın serbest veya zorunlu olmasına

Buna rağmen şebekeden 5. Ve 7. Harmonikler geçmeye devam eder. Bu tür harmonikler rezonansa sebep olmaktadır. Buna önlemek için şebekedeki mıknatıslanma akımı düşürülüp, magnetik endüksiyounu mimumda tutmaktır.

2- Statik Dönüştürücüler (Konvertörler)

Enerji sistemlerinde harmonik oluşturan en önemli elemanlardan biri de tek ve üç fazlı hat komütasyonlu konvertörlerdir. Alternatif enerji kaynaklarının önem kazanmasıyla her geçen gün biraz daha hayatımızın içine giren DC iletim sistemleri, akü ve fotovoltaik sistemler, hat komütasyonlu konvertörlerle beslenmektedir.

Üç fazlı konvertörler, üç ve üçün katı harmonikleri üretmediğinden dolayı bir fazlı konvertörlere göre daha üstündür.

3- Generatörler

En büyük doğal harmonik üreticileri generatörlerdir. Generatörler, alan şekline ve manyetik devrenin doyuma ulaşımasına ya da magnetik direncin değişimine bağlı olarak harmonik üretmektedirler. Bundandır ki generatör sargıların bağlanış şekli harmonik sorununu ortadan kaldırmak için çok önemlidir.

Generatörün bağlantı şekilleri de harmonik frekansında belirleyici özelliğe sahip olduğuna dair örnek vermek gerekirse;

►Statorun sargısı yıldız bağlanmışsa, üç ve üçün katı frekanslı harmonikler faz gerilimlerinde bulunabildiği halde fazlar arası gerilimlerde bulunmazlar.

►Generatör sargıları üçgen bağlı olduğu takdirde bu sargılarda üçün katları frekanslı bir sirkülasyon akımı geçmektedir. Bu akım yüke bağlı olmadığı halde sargılarda büyük kayıplara neden olmaktadır.

►Yıldız bağlanmış bir generatöre üç fazlı ve dengeli bir tüketici bağlanıp; yıldız noktası generatörün yıldız noktasına bağlanmazsa, üç ve üçün katı harmonik akımları geçmez. Yıldız noktası nötre bağlanmış bir yükte ise, faz iletkenlerinden üç ve üçün katı frekanslı akım, nötr üzerinden de bunların toplamı olan üç katı değerde akımlar geçecektir.

Tüm bu nedenlerden dolayı, generatör sargılarının yıldız bağlanması ve yıldız noktasının yalıtılması tercih edilmektedir.

4- Gaz Deşarjlı Lambalar

Bu sınıfa aldığımız civa buharlı, yüksek basınçlı sodyum buharlı, fluoresan lambalar, xenon v.b. tipte bir tüp içerisindeki gazın deşarjı prensibine dayanan aydınlatma elemanları, yukarıda da bahsettiğimiz gibi nonlineer karakteristiğe sahip olduğundan dolayı şebekeden harmonikli akımların çekilmesine neden olmaktadır.

Flouresan lamba için harmonik distorsiyon değerleri (Akım ve Gerilim İçin)

Evlerimizde, iş yerlerimizde, hastanelerde, okullarda hemen hemen her yerde sıkça tercih ettiğimiz fluoresan lambalar ve beraberinde kullanılan balastların manyetik devreleri başlı başına bi harmonik kaynağıdır.

5- Statik VAR Kompanzatörleri

Hızlı tepki verebildiği için sıkça tercih edilen bu kompanzatörler tristörler tarafından kontrol edilmektedirler. Çalışma mantığı sinüsodial dalga şeklinin belirli açılarla kesilmesi üzerine kurulu olduğu için dalga nonsinüzodial bir hal almaktadır.

6- Fotovoltaik Sistemler

Fotovoltaik sistemler yani güneş enerjisinden elektrik enerjisi üreten sistemlerde bilindiği gibi üretilen doğru akım genellikle alternatif akıma dönüştürülerek kullanılmaktadır. Bu dönüşümde kullanılan konvertörler nonlineer elemanlar olup sistemi harmonik etkisine maruz bırakmaktadır.

7- Kesintisiz Güç Kaynakları (UPS)

Kesintisiz güç kaynaklarında yani UPS’ lerin çalışma mantığı alternatif gerilimin doğru gerilime çevrilip depolanarak, elektrik kesildiği durumlarda evirici yardımı ile alternatif akıma çevrilerek sistemin enerjisiz kalmasını engellemektir.

UPS’ ler de bu dönüşümü sağlayan doğrultucu ve eviricilerin karakteristiklerinin nonsinüsodial olmasından dolayı sistemde harmoniklere neden olmaktadır.

Kaynaklar

►Elektrik Tesislerinde Harmonikler, Birsen Yayınevi, İstanbul, 2003
►Enerji Sistemlerinde Harmonik Distorsiyonun Azaltılması, Doktora Tezi, Süleyman Adak, İstanbul, 2003
►www.theswitch.com