Harmonik Nedir ? ve Azaltma Yöntemleri Nelerdir?

Göksel Kurt

 

Bu makalenin amacı, Harmonik bozulmayı tanımlamak ve harmonik ile ilgili azaltma yöntemleri konusunda bilgilendirme amacı ile yazılmıştır.

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.

Joseph Fourier

.'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.

Harmonikler ve nedenleri

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.

Kötü Haber

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 artırır , kablo kesitlerinin optimizasyonunu sağlar, cihazların 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. ticari alanlar da harmonikleri üretilmektedir. Harmonikler, AC ve DC değişken hız sürücülerinin çok çeşitli amaçlarla kullanıldığı imalat sanayinde de görülebilir. Diğer lineer olmayan yükler, proses doğrultucuları, akü şarj cihazları , UPS sistemleri ve  aydınlatma elektronik ateşleme düzenleri ,LED  driver'lar gibi  cihazlardır. Harmonik bozulmanın en yaygın etkileri artan güç talebi  ve güç kalitesinin bozulmasıdır, her ikisi de her işletme için teknik ve finansal etkiye sahiptir.

Harmonik Azaltma teknikleri

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 sinüzoidal hale getirmek için hızlı anahtarlama özellikli yarı iletken cihazları kullanırlar ve düşük frekanslı elektrik kesintilerini azaltmada oldukça etkilidirler. Rejeneratif uygulamalar için idealdir.



Bundan sonraki yazımıza “Harmonik Standartlarının İncelenmesi “ ile devam edeceğiz.

Kaynaklar:

-IEEE Recomended Practice and reqirements for Harmonic control in electrical power systems

-Ioannis Moles Danfoss Drives A/S HVAC/R Business Segment ‘Harmonic Distortion –mitigation methodologies’