Günümüzde enerji kalitesi konusu oldukça önem kazanmıştır. Özellikle elektronik cihazların ve güç elektroniği devrelerinin kullanımının vazgeçilmez hale gelmesi ile şebekede harmoniklerden kaynaklanan problemler artmıştır. Bu yazımızda harmonikler konusu incelenmiştir.
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
Sebepler
► 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
Şekil 2: Belli Başlı Harmonik Kaynaklı Yüklerin Karakteristikleri
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
Sinüsoidal alternatif akım uygulanan bir alıcının şebekeden harmonikli akım çekmesi bu alıcının yapısı gereğidir. Yani; alıcı nominal çalışması sırasında harmonik meydana getirecek akım çekiyor demektir. Harmonik üreten bu alıcılardan başka, karakteristikleri itibariyle lineer oldukları halde harmonikli akımlara sebebiyet veren alıcılar da vardır. Bu durum ise alıcıya uygulanan gerilimin nonsinüsoidal olmasından kaynaklanmaktadır.
Alternatif akımın üretilmesi sırasında alternatörlerde yapılan gerekli iyileştirici önlemler yardımıyla elektrik enerjisi mümkün olduğunca sinüsoidale yaklaştırılmaktadır. Fakat lineer bir alıcıya aynı şebekeye bağlı diğer nonlineer yükler tarafından etki edilmektedir.
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
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.
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:
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.
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
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: Prof. Dr. Muğdeşem Tanrıöven
Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü
Elk. Müh. Rıza İnce
HB Teknik Proje ve Dan.Ltd.Şti
Bu yazı, Elektrik Tesisat Mühendisleri (ETMD)'nin izni ile yayınlanmıştır.
Alıntıdır: https://www.elektrikport.com/makale...er/4246?ysclid=m9lcqzre49195323790#ad-image-0
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
Sebepler
► 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
Şekil 2: Belli Başlı Harmonik Kaynaklı Yüklerin Karakteristikleri
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
Harmoniklerin Etkileri
Harmonikler genel olarak nonlineer elemanlar ile nonsinüsoidal kaynaklardan herhangi birisi veya bunların ikisinin sistemde bulunmasından meydana gelirler. Harmonikli akım ve gerilimin güç sistemlerinde bulunması sinüsoidal dalganın bozulması anlamına gelir. Bozulan dalgalar nonsinüsoidal dalga olarak adlandırılır. Harmonikler güç sistemlerinde; ek kayıplar, ek gerilim düşümleri, rezonans olayları, güç faktörünün değişmesi vb. gibi teknik ve ekonomik problemlere yol açar.Sinüsoidal alternatif akım uygulanan bir alıcının şebekeden harmonikli akım çekmesi bu alıcının yapısı gereğidir. Yani; alıcı nominal çalışması sırasında harmonik meydana getirecek akım çekiyor demektir. Harmonik üreten bu alıcılardan başka, karakteristikleri itibariyle lineer oldukları halde harmonikli akımlara sebebiyet veren alıcılar da vardır. Bu durum ise alıcıya uygulanan gerilimin nonsinüsoidal olmasından kaynaklanmaktadır.
Alternatif akımın üretilmesi sırasında alternatörlerde yapılan gerekli iyileştirici önlemler yardımıyla elektrik enerjisi mümkün olduğunca sinüsoidale yaklaştırılmaktadır. Fakat lineer bir alıcıya aynı şebekeye bağlı diğer nonlineer yükler tarafından etki edilmektedir.
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
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:
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.
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
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: Prof. Dr. Muğdeşem Tanrıöven
Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü
Elk. Müh. Rıza İnce
HB Teknik Proje ve Dan.Ltd.Şti
Bu yazı, Elektrik Tesisat Mühendisleri (ETMD)'nin izni ile yayınlanmıştır.
Alıntıdır: https://www.elektrikport.com/makale...er/4246?ysclid=m9lcqzre49195323790#ad-image-0
