Elektrik güç şebekeleri, günümüz teknolojisinin ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir. Bu sistemlerdeki elektrik akım ve gerilim dalgalarının ideal sinüs dalgası şeklinden sapması, yani harmonik oluşumu, ciddi sorunlara yol açabilmektedir. Harmonikler, elektrik akım veya gerilim dalgalarının temel frekansından farklı frekanslarda sinyaller üretilmesi sonucu oluşan bozucu dalgalardır. İdeal bir elektrik dalgası sinüzoidaldir ve düzgün formdadır. Ancak pratik uygulamalarda, yarı iletken eleman içeren güç elektroniği cihazları, LED aydınlatmalar ve değişken hızlı sürücüler gibi doğrusal olmayan yükler nedeniyle elektrik dalgaları bozunuma uğramakta ve analizi karmaşık hale gelmektedir. 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. Harmonikler, genellikle "THD, Total Harmonic Distortion" veya Türkçe ifade ile "THB, Toplam Harmonik Bozunum" olarak ifade edilmektedir.




Harmonik Sebepleri

► Manyetik devrelerde doyma
► Güç kontrol elemanları
► Lineer olmayan yükler
► Doyma bölgesinde çalışan transformatör mıknatıslanma akımları
► İndüksiyon ısıtma
► Yarıiletken kontrollü cihazlar
► Tristörlü dinamik kompanzasyon
► Deşarj lambaları
► Kesintisiz güç kaynakları
► Bilgisayarlar
► Fluoresant lambaları ve elektronik balastlar
► Akü şarj sistemleri
► Elektrik makinelerindeki diş ve olukların meydana getirdiği harmonikler
► Çıkık kutuplu senkron makinelerde hava aralığındaki relüktans değişiminin oluşturduğu harmonikler
► Senkron makinelerde ani yük değişimlerinin manyetik akı dalga şekillerindeki bozulmalar
► Senkron makinelerinin hava aralığı döner alanının harmonikler
► Doyma bölgesinde çalışan transformatörlerin mıknatıslanma akımları
► Şebekedeki nonlineer yükler; doğrultucular, eviriciler, kaynak makineleri, ark fırınları, gerilim regülatörleri, frekans çeviriciler, v.b.
► Motor hız kontrol düzenleri
► Doğru akım ile enerji nakli (HVDC)
► Statik VAR generatörleri
► Olasılıkla elektrikli taşıtların yaygınlaşması ve bunların akü şarj devrelerinin etkileri
► Enerji tasarrufu amacıyla kullanılan aygıt ve yöntemler
► Direkt frekans çevirici ile beslenen momenti büyük hızı küçük motorlar


Harmonik Kaynakları

►Transformatörler
►Döner makineler
►Güç elektroniği elemanları
►Doğru akım ile enerji nakli (HVDC)
►Statik VAR generatörleri
►Ark fırınları
►Kesintisiz güç kaynakları
►Gaz deşarjlı aydınlatma
►Elektronik balastlar
►Fotovoltaik sistemler

 

Harmonik oluşumunun güç sistemleri üzerinde olumsuz birçok etkisi bulunmaktadır. Bu etkiler arasında ekipmanların ömrünün kısalması, izolasyonun zayıflaması, yanlış ölçümler ve artan enerji kayıpları yer alır. Ayrıca, harmonikler aşırı ısınma ve hatta yangın riskini de artırabilir. Buna ek olarak, uygun filtrelemelerin yapılmaması durumunda harmoniğe sebep olan tüketicinin yanı sıra ortak bağlantı noktasından beslenen komşu tüketiciler de bu harmoniklerden etkilenebilirler. Böyle bir durumda da cihazlar nominal çalışma gerilimi yerine farklı gerilim seviyelerinde çalışmaya zorlanacağından geri dönüşü olmayan arızalar oluşabilecektir.

Enerji sistemlerinde harmonikler ile gerilim ve akım dalga şekillerinin bozulması çok çeşitli problemlere yol açmaktadır.


Bunlar maddeler halinde şöyle verilebilir:

► 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




 

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

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:

1) Duyarlı yükleri filtreler ile duyarlı hale getirme

2) Tesisatın kısa devre gücünü artırma

3) Cihazın güç değerini azaltma

4) Kirletici yükleri denetim altına alma

5) Koruyucu cihazlar ve kondansatörlerin gereğinden büyük boyutlandırılması


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.
 

Harmoniklerin güç sistemleri üzerindeki zararlı etkilerinin minimum seviyede tutulabilmesi amacıyla filtrelemeler vasıtasıyla çeşitli azaltma ve kontrol yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemler, hem endüstriyel hem de ticari uygulamalarda önemli rol oynar.

Pasif Filtreler

Yüksek geçiren filtreler ya da sönümlü filtreler olarak da adlandırılan pasif filtreler, belirli harmonik frekanslarını elimine edebilmekte fakat bu sınırlı filtreleme performansı sunmaktadır. Bu filtreler, genellikle endüktörler, kapasitörler ve dirençlerden oluşturulan kombinasyonlar ile sisteme yerleştirilirler. Uygulamalarının basit ve düşük maliyetli olmasına rağmen rezonans problemlerine karşı dikkatli bir tasarım gerektirmektedir.

Aktif Filtreler

Aktif filtreler, harmonik akımları tespit etmekte ve bunlara karşı fazda akım üreterek harmonikleri gidermekte, böylece ideal sinüs dalga formu yakalanabilmektedir. Güç elektroniği kontrolü içeren aktif filtreler, sistemdeki değişken yük koşullarına dinamik olarak uyum sağlayabildikleri ve geniş frekans aralığındaki harmonikleri etkili bir şekilde azaltabildiği için daha güvenilir bir filtreleme imkanı sunar.


 

Harmonik filtreler, elektrik şebekesinin güç kalitesini iyileştirmede, endüstriyel tesislerde, enerji üretim tesislerinde, veri merkezlerinde, hastanelerde ve sağlık tesislerinde, ticari binalarda ve alışveriş merkezlerinde önemli rol oynar. Bunun yanında, endüstriyel tesisler gibi kompanzasyon sisteminin yer aldığı bölgelerde harmonik kaynaklı kondansatör arızaları sık yaşanabilmektedir. Bu durumda da, uygun harmonik filtre reaktörleri eklenerek daha verimli ve ekonomik çalışma ortamı sağlanabilir.


 

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.
 

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



Kaynak: