Endüstri ve konut alanındaki teknolojik gelişmeler, çalışma prensipleri yüzünden sinüzoidal olmayan akım (doğrusal olmayan yük) çeken elektronik ekipmanların yayılmasına neden oldu. Bu gibi akımlar şebekenin besleme tarafında sinüzoidal olmayan tipte bir gerilim düşümüne neden olurlar ve sonucunda lineer yükler de bozuk gerilimle beslenir.

Harmonikler, bozuk bir dalga formunun bileşenleridir ve bunların kullanımı çeşitli sinüs bileşenlerine ayrıştırarak herhangi bir sinüzoidal olmayan periyodik dalga formunu analiz etmeyi sağlar.

Fourier teoremine göre, genelde sürekli ve sınırlı olan T periyotlu herhangi bir periyodik fonksiyon, orijinal fonksiyonun frekansının tam sayı katlarına eşit bir frekansa sahip bir dizi sonsuz sinüzoidal terim ile temsil edilebilir.

Orijinal dalga formunun periyoduna karşılık gelen frekansa sahip harmonik, temel harmonik olarak bilinir ve temel harmoniğin "n" mertebesine eşit bir frekansa sahip harmoniğe de “n” mertebesi harmonik denir.

Fourier teoremine göre, kusursuz sinüzoidal bir dalga formu, temel olandan farklı bir mertebede harmonikler sunmaz. Bu nedenle, bir elektrik sistemindeki harmoniklerin varlığı, gerilim veya akım dalga formunun bozulmasının bir göstergesidir ve bu da ekipmanın arızasına neden olabilecek türden bir elektrik gücü dağıtımını gösterir.
 

► İlginizi Çekebilir: B Tipi Kaçak Akımlar ile İlgili Bilinmesi Gerekenler
 

► kişisel bilgisayarlar;
► floresan ve gaz deşarj lambaları;
► statik konvertörler;
► kesintisiz güç kaynağı (UPS) grupları;
► değişken hızlı sürücüler;
► kaynak makineleri;
► ark ve indüksiyon fırınları.

Genelde, dalga formu bozulması bu aygıtların içindeki doğrusal olmayan veya zaman değişkenli empedansların veya yarı iletken cihazları tüm periyodun sadece bir kısmı için akım taşıyan köprü doğrultucularının varlığı yüzündendir ve dolayısıyla çok sayıda harmonik girişiyle süreksiz dalgalara neden olur.



Aşağıdaki paragraflarda gösterildiği üzere, elektrik şebekesinde harmoniklerin varlığı kapasitör bankına zarar verebilir.
 

Teknik standartlar kapasitörler üzerindeki harmoniklerin etkilerini azaltmaya yönelik kesin talimatlar verir. IEC 61642 Standardı “Harmoniklerin etkilediği endüstriyel A.C. şebekeleri – Filtrelerin ve şönt kapasitörlerin uygulanması” problemleri tanımlar ve harmonik gerilimlerin ve akımların varlığından etkilenen A.C. şebekelerindeki kapasitörler ve harmonik filtrelerinin genel uygulamaları için öneriler sunar. Bu standart, özellikle seri ve paralel rezonans sorununu gösterir ve bazı açıklayıcı örnekler verir.

 

 

Elektrik şebekesindeki harmoniklerin varlığı ekipmanın arıza yapmasının nedeni olabilir; örneğin: notr iletkenin aşırı yüklenmesi, transformatörlerdeki kayıpların artışı, motor torklarındaki bozukluklar gibi durumlar.

Özellikle harmonikler, güç faktörü düzeltme kapasitörlerini en çok etkileyen olaylardır.

Nitekim, bilindiği gibi kapasitif reaktans, frekans ile ters orantılıdır; bu yüzden harmoniklerin mertebesi arttıkça gerilim harmoniklerine sunulan empedans azalır. Bu şu anlama gelir: eğer kapasitörler bozuk bir gerilim ile besleniyorsa kendilerine ciddi bir şekilde zarar verebilecek çok yoğun bir akım çekebilirler.
 

 

Üçgen bağlı olduğu varsayılan bir kapasitör bankında, aşağıdaki ilişkiye göre n'inci harmoniğe karşılık gelen hat akımını hesaplamak mümkündür:
 

burada:

► I_n n'inci harmoniğe karşılık gelen akımdır;
► n: harmoniklerin mertebesidir;
► ω temel harmoniğin titreşimidir;
► C: kapasitanstır;
► I_n n'inci harmoniğe karşılık gelen hat-hat gerilimidir;

 

Akım harmonik bileşenlerinin tümü birbirleriyle ve temel harmonikle uyumlu olduğundan cebirsel toplam aynı zamanda r.m.s. değerleri ile de geçerlidir.
 

Kapasitör bankları tarafından çekilen toplam hat akımı:
 

Bu ilişkiden görülmektedir ki gerilim harmoniklerinin varlığında çekilen akım, bunların olmaması durumunda dikkate alınacak akımdan daha yüksektir. Bu sebeple, IEC 60831-1 ve IEC 60931-1 standartları, kapasitörlerin kapasitör bankı nominal akımından daha yüksek bir akım değeri ile kalıcı çalışma için uygun olması gerektiğini belirtir (sonraki bölümde daha detaylı açıklanacaktır).
 

Doğrusal bozulma yüksek değerlere ulaştığında ve güç faktörü duzeltme sistemi (kapasitörlerin eşdeğer kapasitansı) ve şebekenin eşdeğer indüktansı arasındaki rezonans tehlikesi belirgin duruma geldiğinde çok daha önemli bir sorun ortaya çıkar.

İndüktif ve kapasitif reaktanslar eşit olduğunda rezonans meydana gelir. Sonuç olarak, indüktans ve kapasitans seri bağlandığında seri rezonans devreden veya indüktans ve kapasitans paralel bağlandığından paralel rezonans devreden bahsedilecektir. Bir seri rezonans ve bir paralel rezonans aynı şebekede bulunabilir. Rezonans, rezonans frekansı f_r denen kesin bir frekansta oluşur:
 

 

Eğer dizi rezonansı varsa, toplam empedans teorik olarak nötürlenir.
 

Benzer şekilde, paralel rezonans mevcudiyetinde, toplam empedans sıfıra gitme eğilimindedir:

 

 

Eğer bir seri rezonans devresi, rezonans frekansına yakın bir frekans değerine sahip bir alternatif gerilim ile besleniyorsa, çekilen akımın bir amplifikasyonu oluşarak bozukluklara, aşırı akımlara ve şebeke bileşenlerinde hasara neden olabilir.

Bunun aksine, paralel rezonans devresi lineer olmayan yük akımının harmonik tarafından beslenir ise, rezonans harmoniğine denk gelecek bir aşırı gerilim ortaya çıkabilir.

Aşağıdaki diyagram, bir şebekenin kapasitif reaktans (harmoniklerin mertebesi ile düen), indüktif reaktans (harmoniklerin mertebesi ile yükselen) ve toplam reaktansı ile ilgili eğrileri gösterir; toplam seri reaktansı, rezonans frekansı ile uyum içinde minimum değerini alır (grafik örnekte, temel frekansın üç katı).
 

Rezonans frekansı f_r aşağıdaki formülden elde edilebilir:
 

burada:

► f₁ temel frekanstır;
► X_C1, temel frekansta kapasitörün kapasitif reaktansıdır;
► X_L1 kapasitörün kurulum noktasının besleme tarafındaki şebekenin indüktif reaktansıdır (temel frekansta).

Harmoniklerin olmadığı durumda ve rezonans frekansının güç kaynağı sisteminin temel frekansından yeterli farklılıkta olduğu varsayılarak, hatlarda aşırı akım olmaz.

Eğer harmonikler mevcut olsaydı, rezonans frekansına yakın mertebedeki harmoniğine uygun bir akımın amplifikasyonu oluşabilirdi. Daha detaylı bir analiz için bir dizi rezonans devresinin sayısal bir örneğini de veren IEC 61642 standardına bakın. Bunun sonucunda eğer frekans seri rezonans frekansına yakınsa, besleme baralarındaki nispeten daha duşuk bir gerilim, yüksek bir akıma neden olabilir.

Rezonans olayından kaçınmak ve dolayısıyla kapasitörün ömrünün kısalmasını önlemek için şebekenin mevcut harmoniklerinden olabildiğince farklı bir rezonans frekansına sahip olması gerekir.

IEC 61642 standardında açıklanan en yaygın çözüm, indüktif reaktansı kapasitör ile seri bağlamayı içerir (detuning reaktansı); indüktor, şebekedeki harmonik gerilimin en düşük frekansının altında bir rezonans seviyesi elde edilecek şekilde boyutlandırılmalıdır.


Örnek:

Üstte verilen seri rezonans devredeki dikkate değer bir genlikle en düşük harmoniğin beşinci olduğunu varsayarak, önceki ilişkiye göre sonuç:
 

burada:

► X_C1, temel frekansta kapasitörun kapasitif reaktansıdır;


Dikkate değer genliğe sahip en düşük harmonik üçüncüyse, sonuç:
 

İndüktansın bu şekilde boyutlandırılmasıyla, indüktor-kapasitör bağlantısının empedansı ile (induktif) şebeke indüktansının etkileşimi, şebekede bulunan gerilim ve akım harmoniklerinin frekanslarında daha fazla rezonans durumu oluşturamaz.
 

Bir şebekedeki harmoniklerin etkilerini sınırlamak için kapasitör banklarını indüktörler ile beraber kullanılabilir. Esasen, kapasitör-indüktör kombinasyonu harmonikler için bir filtre oluşturur.

Daha önce rezonansın negatif etkilerinden kaçınmak için kapasitör ile seri şekilde indüktör eklenmesinin neden gerekli olduğu anlatılmıştı. Benzer bir mantık uygulayarak, ortadan kaldırılacak akım harmoniğinin mertebesiyle aynı rezonans frekansı almak için düzgün bir şekilde boyutlandırılmış bir indüktör ve kapasitör kombinasyonunu şebekenin bir noktasına yerleştirmek mümkündür.

Bu şekilde, induktör-kapasitör tertibatı tüm şebekeyi etkilemeden tertibatta dolaşacak ve ortadan kaldırılacak harmonik ile uyumlu çok düşük bir reaktans sunar.
 

Bu yüzden pasif filtre isimli bu filtre, bir induktörle seri bağlanmış bir kapasitör içerir ve böylece rezonans frekansı ortadan kaldırılacak harmoniğin frekansına tümüyle eşit olacaktır.

Filtrelenecek belirli bir harmoniğe göre ayrı ayrı tanımlanan pasif filtreler uygun maliyetlidir ve kolayca kurulup işleme sokulabilir.

Buna karşın aktif filtreler otomatik olarak geniş bir frekans aralığı içinde bir şebekedeki akım harmoniklerini ortadan kaldırabilir. Güç elektroniği teknolojisi kullanarak, şebekede bulunanları nötrleyen bir harmonik sistemi enjekte edebilirler.
 

Aktif filtre düzinelerce harmoniği aynı anda filtreleme avantajına sahiptir ve boyutlandırılması için tasarım maliyetleri gerekmez.