Fourier teorisi, tekrar eden dalga formlarının, temel frekansın tam katları olan sinüzoidal dalga formlarının toplamı olarak tanımlanabileceğini belirtmektedir.

Elektrik dağıtım şebekesinde gerilim sinüs şeklindedir. Aynı şekilde şebekeden çekilen akımın da sinüs şeklinde olması beklenir. Ancak günümüzde elektrik şebekelerinde saf sinüs şeklindeki gerilim ve akım dalga şekilleri ile karşılaşmak çeşitli nedenler ile zorlaşmış, gerilim ve akım dalga şekilleri sinüs şeklinden farklı bir duruma gelmeye, yani ‘Harmonik’ içermeye başlamıştır.

Harmonik kavramının temelinde Fourier Teoremi yatar. Fourier Teoremine göre Harmonik herhangi bir periyodik (kendini tekrar eden) dalga şeklini temel frekansındaki bileşen ve temel bileşeninin katlarındaki frekanslardaki bileşenlerin toplamı olarak tanımlanmaktadır.

'Harmonikler', bozulmuş temel dalga formunu oluşturan toplam yüksek frekans dalga biçimlerini ifade eder. Elektrik bağlamında, 'harmonik' çarpık gerilim veya akım dalga formunun yüksek frekans bileşenleridir
 

Güç sistemi harmonikleri, günümüzde büyük ilgi gören bir alandır. Bu öncelikle, anahtarlamalı güç kaynakları, aydınlatma ,elektronik ateşleme düzenleri, LED sürücüler , kesintisiz güç kaynakları ve tek fazlı gerilim denetleyicileri gibi doğrusal olmayan, tek fazlı yüklerin hızlı bir şekilde artması ve bunun yanında yarı-iletken kontrollü üç fazlı güç kaynakları, Değişken hız kontrol cihazları ve büyük kesintisiz güç kaynağı UPS üniteleri gibi faz-faz yükleri .Belirtilen ürünler Üretimi hızlandırmak ve enerji verimliliğini artırmak için ihtiyaç duyulan tipik bir endüstriyel tesisteki toplam yükün giderek artan Harmonik bozulmanın bir bölümünü oluşturmaktadır.
 

Harmonik şebeke elektriğinin çoklu frekansı olan sinüzoidal dalgalardır (temel frekans 50Hz veya 60Hz).
 

Şebeke Harmonik bozulma genellikle kötü haberdir ve bir takım beklenmedik maliyetler doğurmaktadır. Harmoniği azaltmak veya düşürmek, kullanılan cihazların ömrünü uzatmayı ,arızaları azaltmayı ve enerji tasarrufu için verimliliği artırabileceği için önemlidir.Harmoniği azaltma işlemi; Sorunların ortaya çıkmasını önlemek için yapılır. Harmonik azaltma transformatör yüklemesini artırarak cihazların( veya donanım) ömrünü uzatır ,sistem verimliliğini artırır , elektronik cihaz arızalarını azalır ve üretim de maliyet kaybı yaratan arızalı donanım dolayısı ile plansız duruşların daha az yaşanmasını sağlar.

Televizyonlar, DVD oynatıcılar, bilgisayarlar, aydınlatma dimmer anahtarı ve flüoresan aydınlatması gibi ekipmanlarla sehir içi evlerde harmoniklere neden olabilir; bunların hepsi de yardımcı cihaz sarf malzemeleri üzerindeki genel harmonik bozulmaya etki ederek Harmonik bozulmayı arttırır. Çok sayıda bilgisayar, yazıcı, UPS sistemi ve HVAC ve diğer uygulamalar için değişken hızlı sürücüler kullanan bankalar, ofis kompleksleri, alışveriş merkezleri vb. gibi ticari alanlar da harmonikleri üretmektedir. Harmonikler, AC ve DC değişken hız sürücülerinin çok çeşitli amaçlarla kullanıldığı imalat sanayiinde de görülebilir. Diğer lineer olmayan yükler, proses doğrultucuları, akü şarj aletleri, UPS sistemleri ve floresan aydınlatma gibi endüstriyel güç dönüştürme tesislerinide içerir. Harmonik bozulmanın en yaygın etkileri artan güç çekme ve güç kalitesinin bozulmasıdır, her ikisi de her işletme için teknik ve finansal etkiye sahiptir.

Neyse ki, elektronik güç kontrol cihazlarından gelen ana elektrik paraziti, darbeli akımların amplitüdünü sınırlayarak düşürülebilir ve etkili harmonik azaltımı, işletme maliyetlerini düşürerek bir şirketin ana elektrik hattına fayda sağlamaktadır.



Dolayısıyla, harmonik bozulmalar sistem ve cihazlar için istenmeyen sonuçları oluştururlar ve gereksiz maliyetler olurlar. Bu yüzden harmonik azaltma; tesis ömrünün uzatılması, kesintilerin azaltılması, tasarruf ve verimlilik açısından önemlidir. Televizyonlar, DVD oynatıcılar, bilgisayarlar, aydınlatma dimmer anahtarı ve flüoresan aydınlatması gibi ekipmanlar bulunan evlerde de harmoniklere rastlanabilir; bunların hepsi de yardımcı cihaz sarf malzemeleri üzerindeki genel harmonik bozulmaya önemli katkıda bulunurlar. Çok sayıda bilgisayar, yazıcı, UPS sistemleri, HVAC ve diğer uygulamalar kullanan bankalar, ofis binaları, alışveriş merkezleri vb. gibi ticari alanlarda da harmonikler oluşmaktadır.

Harmonikler, AC ve DC frekans konvertörlerinin çok çeşitli amaçlarla kullanıldığı imalat sanayiinde de görülebilir. Diğer lineer olmayan yükler, doğrultucular, akü şarj aletleri, UPS sistemleri ve floresan aydınlatma gibi endüstriyel güç dönüştürme tesislerini içerir. Harmonik bozulmanın en yaygın etkileri artan güç çekme ve güç kalitesinin bozulmasıdır. Her ikisi de işletmeler için olumsuz teknik ve finansal etkiye sahiptir. Neyse ki, elektronik güç kontrol cihazlarından gelen şebeke paraziti darbeli akımların genliğini sınırlayarak düşürülebilir. Etkili harmonik azaltımı da, işletme maliyetlerini düşürerek bir şirketin ana hattına fayda sağlayacaktır.

 

Şebeke güç kalitesinin aşırı derecede bozulmasını önlemek için, harmonikleri üreten sistemler ve cihazlar için çeşitli azaltma, kaçınma veya kompanzasyon yöntemleri kullanılabilir.

Pasif Dahili Filtreler: Tekli harmonik frekanslara ayarlanmış ve yük ile paralel bağlanmış seri LC devreleri toplam harmonik bozulmayı azaltır. Değişken hız sürücülerinde Dahili AC veya DC olarak dahili olarak bulunmalıdır .

Geliştirilmiş Pasif Filtreler: Harmonik TRAP/Tuzak Filtresi olarak da adlandırılır

Orta Düzeyde sönümleme performansı sunar. Tüm harmonikleri azaltır sadece düşük olanları değil.

Aktif Filtreler: Doğrusal olmayan yüklerle paralel olarak kurulan elektronik soğurma devreleri. Bunlar harmonik gerilim ve akımları iptal eder ve güç sisteminde bozulmayı önler .Harmoniği algılayarak karşı faza eşit bir sinyal ekleyerek bozulmayı en aza indirger.

AFE Aktif Front End Sürücü giriş devrelerinde geleneksel redresörlerin yerine IGBT anahtarları kullanılır. Bu devreler giriş akımını neredeyse sinüsoidal hale getirmek için hızlı anahtarlama özellikli yarı iletken cihazları kullanırlar ve düşük frekanslı elektrik kesintilerini azaltmada oldukça etkilidirler.rejeneratif uygulamalar için idealdir .

12,18 Pulse Redresörler: 12p, 5. ve 7. harmonikleri ve katları azaltmayı amaçlar.

18 Pulse Redresörler:  5., 7., 11. ve 13. harmonikleri ve katları azaltmayı amaçlar

Yukarıda bahsedilen azaltma teknikleri, frekans konvertörlerinin kendisine ek maliyet getirir. 

 

Son yıllarda, görünüşte daha düşük bir harmonik içeren, Slim DC-Link teknolojisi ile frekans dönüştürücülerinde artan kullanılabilirlik gözlemlendi. Bu çözüm, dahili bir düşük kapasiteli DC-bus kapasitansına dayanır. Harmonik akımlar çoğunlukla filtre kondansatörleri şarj edilirken oluşur ve harmonik akımların seviyesi filtre kapasitesine bağlıdır. Bu nedenle düşük kapasitanslı filtreler daha düşük harmonik seviyeleri üretir. Bu düşük maliyetli yaklaşımı uygulayan üreticiler, DC bağlantısının kapasitesini dramatik bir şekilde azaltırlar ve Toplam Harmonik Distorsiyonu (THDi) % 40'ın altına düşürülür. Bununla birlikte, şebeke girişimini THDi'nin tanımında olmayan yüksek bir frekans spektrumuna kaydırır. Yeni bir standart, bu gerçeği telafi etmeyi amaçlamaktadır. Alttaki grafik Slim DC Link’in daha yüksek PWHD'sine sahip olduğu kısmi ağırlıklı harmonik bozulmayı (PWHD) tanımlar.



Slim DC-Link cihazlarının geniş frekans spektrumundan dolayı floresan lambalar veya transformatörler gibi ana şebekeye bağlı diğer komponentlerle rezonans riski vardır. DC-Link’te küçük kondansatörlerin kullanılması argümanı esas olarak bu konstrüksiyondaki invertörler daha düşük bir harmonik imzasına sahip oldukları için ortaya çıkmaktadır.

DC-link kapasitesinin düşürülmesi, kapasitör bankasının güvenilirliğinden ödün vermeksizin elektrolitik kondansatörler yerine film kondansatörlerinin kullanılmasını kolaylaştırır. Film kondansatörleri, uzun ömürlü olmalarının yanı sıra düşük ısı kaybı nedeniyle sürücünün termal yönetimini kolaylaştırdığı için de faydalıdır. Bununla birlikte, ana avantaj, endüktif elemanlara ihtiyaç duymadan hat akımlarının azaltılmış harmonik içeriğidir ve bu da toplam harmonik bozulmayı azaltır. Daha spesifik olarak, 2 kHz'e kadar olan aralıkta THDi'yi (THC: Total Harmonic Current/IEC61000-3-12 ed.2 2011) % 30-35'e düşürür. Bununla birlikte, akım bozulması daha yüksek bir frekans aralığına taşınır ve bu nedenle 2kHz'den yüksek olan şebeke paraziti daha fazla artar ve özellikle anahtarlama frekansında baskın olur. Her durumda, THC'nin% 45'in altına düşürülmesi ile geleneksel frekans konvertörler, genel düşük voltajlı besleme sistemlerine bağlı ekipman tarafından oluşturulan harmonik akımların sınırlarını belirleyen Uluslararası ve Avrupa harmonik standartları IEC / EN61000-3-12'ye uygundur. Dahası, IEC61000-3-12 standartlarının bir kısmında, 2-150 kHz frekans aralığında şebeke beslemesinde kullanılan akıllı sayaçların ciddi arızaları nedeniyle emisyon gereksinimleri için yeni bir çalışma başlatılmıştır.
 

►İlginizi Çekebilir: Alpler'de Tünel Kazı Çalışması

Buna ek olarak, Slim DC-Linkli VSD'ler yük tarafında ciddi zayıflıklar sergiler. Bu tür konvertörlerle yük değişimleri, voltaj değişimlerinde önemli ölçüde artışa neden olur. Sonuç olarak, motor şaftındaki yük değişimlerine tepki olarak daha büyük bir salınım eğilimi gösterirler. Küçük bir DC-link kondansatörü, giriş diyot doğrultucusunun sebep olduğu harmoniklerde tatmin edici bir azalma sağlamaz ve bu DC link geriliminde istenmeyen dalgalanmalara neden olur. Bu, motor şaftında gürültü ve titreşim ile birlikte tork dalgalanması da getirir. Dolayısıyla sürücü ani hız değişikliklerine karşı çok hassastır ve bu da frekans dönüştürücünün tetiklenmesine neden olabilecek büyük DC-link aşırı voltajlarına neden olur. Hızlı yavaşlama gibi yük düşürme esnasında, motor bir jeneratör görevi görür ve dc bağlantısının voltaj seviyesini yükseltir. Buna karşılık, Slim DC Link’li cihazlar, aşırı yük veya aşırı gerilimden kaynaklanan hasarlara karşı koruma sağlamak için geleneksel cihazlara göre daha çabuk kapanırlar. Küçük veya sıfır kapasitanslarından dolayı, Slim DC-Link dönüştürücüler, şebeke çıkışlarında az yer kaplarlar. Genellikle, bir Slim DC-Link, klasik bir DC bağlantısının kapasitesinin yaklaşık % 10'una sahiptir. Giriş akımına bağlı, şebeke parazitine ek olarak, Slim DC-Linkli dönüştürücüler şebekeyi motor tarafındaki inverterin anahtarlama frekansı ile bozar. Bu, DC bağlantısının düşük veya sıfır kapasitansına bağlı olarak şebeke tarafında açıkça görülebilir. Slim DC-Link'i kullanmanın güçlü ve zayıf yönleri aşağıdaki tabloda gösterilmektedir.




Yukarıdaki grafik, 0 ila 2kHz frekans, (kW) güç aralığına ve THDi'ye (%) göre farklı harmonik azaltma yöntemlerinin karşılaştırmasını göstermektedir.
 

'Slim' VSD'lerin azaltılmış DC-link kapasitansı, DC-link kısma bobinli konvansiyonel bir VFD'ye kıyasla DC-linkinde nispeten yüksek bir dalgalanma gerilimi olduğu anlamına gelir. Bir kapasitör üzerindeki dalgalanma voltajı, dahili ısı üretimini arttırır ve bu nedenle kapasitörün ömrünü kısaltabilir. Film kondansatörleri daha önce uygun şekilde yüksek kapasitans değerleri ve voltaj derecelendirmelerinde bulunmayan VSD DC-link kapasitörleri olarak kullanım için uygun değildi. Bununla birlikte, film kapasitör teknolojisindeki son gelişmeler, DC bağlantı kapasitörleri olarak kullanılmak üzere uygun voltaj değerlerinde mevcut olmalarını sağladı.
 

6 palslı kontrolsüz doğrultucuya sahip olan bir Slim DC-Link VSD, yükselme süresini yavaşlatabilir ve düşük DC link kapasitansı nedeniyle giriş akım tepe noktalarının süresini uzatabilir. Aynı motor yükü için giriş redresörünün motora gerekli akım sağlamak amacıyla daha uzun süre çalışması gerektiğinden şarjı saklama kapasitesi de çok azaltılır. Dolayısıyla, bir Slim DC-Link tasarımı, harmonik akım distorsiyonuna ve DC-link kısma bobinli bir konvansiyonel bir VSD'nin seviyelerine kıyasla RMS giriş akımının daha düşük seviyelerde bulunmasına neden olur. Slim DC-Link VSD üreticileri, şebeke besleme empedansına çok bağımlı olmasına rağmen genellikle THDi'nin % 30 -% 35 aralığında olduğunu iddia ederler. Benzer şekildeana şebeke kaynak empedansına bağlı olarak DC-link kısma bobini ile klasik VSD'ler ile benzer seviyelere erişilebilirler.

Ayrıca, bir Slim DC-Link VSD'nin nispeten küçük DC-link kapasitansını, potansiyel olarak duyarlı hale getirir. Bu nedenle bir dizi tipik uygulama çalışma koşullarında tetiklenme olasılığı daha yüksektir. DC-link kapasitesinin nispeten küçük olması nedeniyle, DC-linkteki dalgalanma voltajı, bir motoru tam yükte çalıştıran DC kısma bobinlerine sahip klasik bir VSD'den çok daha yüksektir. Normal tam yük çalışma koşullarında, DC kısma bobinli konvansiyonel bir VSD, tipik olarak, bir Slim DC-Link VSD'nin tipik dalgalanma geriliminin yaklaşık üçte biri olan % 5'den az tepe gerilimine sahip olacaktır. Bununla birlikte, Slim DC-Link VSD'nin tasarımına bağlı olarak, motorun performansını etkileyebilir ve anormal veya dinamik koşullar altında çalışırken genellikle VSD'yi daha hassas hale getirebilir.



6 palslı PWM VSD'nin şebeke beslemesindeki harmonik akımlar ve buna bağlı harmonik gerilim bozulması, harmonik akımlar aşırı olduğu takdirde daha önce belirtildiği gibi sorun yaratabilirler. Bununla birlikte, harmonik akımlar nispeten basit önlemler ile sınırlandırılabilirler. Bu nedenle VSD'lerin kullanımınından caymamak gerekir. Örneğin, HVAC sistemleri, geleneksel yöntemlere kıyasla daha az enerji tüketerek klimalı alanın kontrolünü arttırmakla kalmaz, birçok açıdan fayda sağlar. Bununla birlikte, VSD'ler bir binanın HVAC sisteminde kapsamlı bir şekilde kullanıldığında, harmonik filtre içermeyen çoklu VSD'lerin kullanılması operasyonel sorunlara ve kabloların, şalt cihazlarının ve transformatörlerin aşırı boyutlandırılmasına neden olabilir. DC-link şokları veya AC giriş şokları gibi basit harmonik filtreleme ile VSD'lerin kullanımı genellikle harmonik problemleri önleyecektir. Bir VSD'den gelen harmonik akım emisyonlarını azaltmak için akım darbeleri sınırlandırılmalıdır. Bu, kısma bobinleri ve bobin teknikleri kullanılarak gerçekleştirilir.

Geleneksel bir VSD'nin çok daha yüksek DC-link kapasitansı ile, daha fazla enerji absorbe etme ve depolama yeteneği sayesinde DC-link voltajı, değişen yük ve şebeke koşullarında daha dengelidir. Normal çalışma koşullarında, DC kısmi bobinli konvansiyonel bir VFD'nin DC-link dalgalanma gerilimi nispeten sabit kalır ve yüksüz durumda yaklaşık % 1'den tam yükte % 5'e yükselir.

Bir Slim DC-link VSD'de, tam yükte dalgalanma voltajı % 15'e kadar yükselebilir. Ayrıca, DC-link geriliminin, şebeke ve dinamik motor yük koşulları altında (örneğin hızlanma ve yavaşlama sırasında) dalgalanması beklenebilir. Bu, DC-link gerilimine veya DC-link dalgalanma gerilimine dayanan herhangi bir VSD koruma şemasının, bir Slim DC-Link VSD'de geleneksel bir VSD'den daha hassas olmasının muhtemel olduğu anlamına gelir. Aksamalara daha yatkındır ve potansiyel olarak zararlı bazı çalışma koşullarını bile tespit edemez.

Genel olarak, Slim DC Link’in faydaları 2kHz'in altında veya daha düşük harmonik içeriğine sahip olması biraz daha kompakt bir tasarım sunması olarak özetlenebilir. Ancak Slim DC Link'in yüksek frekanslı rezonans sorunları için 2 kHz'in üstünde yüksek gerilim bozuklukları yaratma potansiyeli, geleceğin harmonik standartlarına uyma konusunda kuşku uyandırması, motor şaftındaki yüksek tork dalgalanmalarının gürültü ve titreşim yaratması ve dinamik uygulamalar için daha az uygun hale olması gibi ciddi dezavantajları da vardır. Güvenilirlik ve gerçek harmonikler performansı söz konusu olduğunda düşük maliyet ve etkinlik açısından geleneksel DC bobin topolojisi hala sınıfının en iyisidir.

Kaynak: