Elektrik Tesislerinde Güç Faktörü Düzeltme ve Harmonik Filtreleme Yazı Dizisi-6

Elektrik Tesislerinde Güç Faktörü Düzeltme ve Harmonik Filtreleme

Yazı Dizisi-6

Tercüme: Alper Çelebi

8 Elektrik tesislerindeki harmonikler

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 ¹herhangi bir periyodik fonksiyon, orijinal fonksiyonun frekansının tam sayı katlarına eşit bir frekansasahip bir dizi sonsuz sinüzoidal terim ile temsil edilebilir.

¹ Eğer bir T (ƒ(x+T ) = ƒ (x)) periyodu sonrası aynı değeri alıyorsa ve sınırlı sayıda gerekli olmayan
süreksizliklere sahipse bir fonksiyon, genelde sürekli ve sınırlı, periyodik olarak kabul edilir.

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.

Harmonik üreten başlıca cihazlar:

- 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 değişkenli² 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.

² Dalga veya faz dizileri üzerinden kontrol sağlayan cihazlar gibi zaman değişkenli yükler sadece temel harmoniğin üst katlarında harmonikler değil, aynı zamanda ara harmonikler de sunar.

8.2 Standartların tarifleri

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.

8.3 Harmoniklerin etkileri

8.3.1 Aşırı yükler

Elektrik şebekesindeki harmoniklerin varlığı ekipmanın arıza yapmasının nedeni olabilir; örneğin: nötr 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:

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

Kapasitör bankları tarafından çekilen toplam hat akımı³.

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 açıklanmıştır).

³ Akım harmonik bileşenlerinin tümü birbirleriyle ve temel harmonikle uyumlu olduğundan cebirsel toplam aynı zamanda r.m.s. değerleri ile de geçerlidir.

Bundan sonraki yazımızda "rezonans, harmonik filtreler" anlatılacaktır.

Önceki Yazı Sonraki Yazı

Paylaş: