Harmonik Nedir?
Harmonik frekanslar, şebeke frekansının integral katları şeklindedirler. Örneğin, 50Hz temel harmonik için üçüncü harmonik 150Hz, beşinci harmonik ise 250Hz’dir. Harmonikler akım harmonikleri olarak oluşur ve harmonik akımlar alt devrelere akarak gerilim harmoniklerini oluştururlar. 100-Hz (2nci harmonik) ile 2,5-kHz (50nci harmonik) frekans aralığındakiler hesaplama ve ölçümlerde dikkate alınır. 2,5kHz ila 150kHz aralığı Supraharmonik olarak adlandırılır. Harmonikler aşağıda görüleceği gibi akım ve gerilim dalga şeklinin ideal sinüs formundan uzaklaşmasına neden olurlar.
Peki, harmonikler nedir? Harmonik akım ve gerilimler elektrik şebekesine doğrusal olmayan yüklerin bağlanmasıyla oluşan akım ve gerilimlerdir. En basit ifadeyle, harmonikler, sinüsoidal dalga şeklini bozan ve temel frekansın katları şeklinde oluşan bozulmalardır. Bu bozulmalar, güç sistemlerinde enerji kaybı, aşırı ısınma ve ekipman ömrünün kısalmasına yol açar. Genellikle doğrusal olmayan yükler olarak adlandırdığımız doğrultucular, motorlar, transformatörler ve çeşitli elektronik cihazlar bu harmonikleri üretir. Harmoniklerin genliği en yüksek olanları (en zararlı olanları) üçüncü, beşinci ve yedinci derecedeki harmoniklerdir. Bu harmonikler, sinüsoidal dalga şekline en büyük zararı verir. Genlikleri yüksek olduğu için dalga formunun sinüsoidal dalga formundan uzaklaşmasına sebep olurlar. Bu nedenle, harmoniklerin söndürülmesi ve azaltılması, güç kalitesi açısından büyük önem taşır. Elektrik devrelerinde istenmeyen frekans bileşenleri olarak ortaya çıkan harmonikler, elektrik tesisatlarında önemli sorunlara yol açabilir. Yazımızda bunu kısaca özetlemeye çalıştık.
Son yıllarda ara harmoniklerde bilimsel çalışmalarda oldukça sık rastlanmakla birlikte, harmonik olarak tanımlanan frekanslar şehir şebeke frekansının tam katları olarak karşımıza çıkar ve 100-Hz (2nci harmonik) ile 2,5-kHz (50nci harmonik) frekans aralığındakiler hesaplama ve ölçümlerde dikkate alınır. 2,5kHz ila 150kHz aralığı Supraharmonik olarak adlandırılır.
5. Harmonik Nedir?
Harmonik kavramıyla birlikte karşımıza bir de 5. harmonik terimi çıkar. “5. Harmonik Nedir?” Beşinci harmonik, 50 Hz’in 5 katıdır ve 250Hz‘e tekabül eder. Tüm harmonikler, temel frekansın katları olarak ortaya çıkar ve genellikle tesisatlarda tekil harmonikler ölçülür. Örneğin, harmonikler şu şekilde sıralanabilirler:
3. Harmonik: Temel frekansın 3 katıdır. Tek fazlı yüklerde yaygındır ve nötr hattının aşırı yüklenmesine ve ısınmasına neden olur.
5. Harmonik: Temel frekansın 5 katıdır. Üç fazlı sistemlerde yaygındır ve rezonans problemlerine yol açabilir.
7. Harmonik: Temel frekansın 7 katıdır. Üç fazlı sistemlerde yaygındır ve rezonans problemlerine yol açabilir.
Özetle; harmonik frekanslar, şebeke frekansının integral katları şeklindedir. Örneğin, 50Hz temel harmonik için üçüncü harmonik 150Hz, beşinci harmonik ise 250Hz’dir. Harmonikler akım harmonikleri olarak oluşur ve akımlar alt devrelere akarak gerilim harmoniklerini oluştururlar. 100Hz (2. harmonik) ile 2,5kHz (50. harmonik) arasındaki frekanslar hesaplama ve ölçümlerde dikkate alınır. 2,5kHz ile 150kHz aralığı supraharmonik olarak adlandırılır. Harmonikler, aşağıda görüleceği üzere, akım ve gerilim dalga şeklinin ideal sinüs formundan uzaklaşmasına neden olurlar.
Büyük Sorunlara Neden Olabilen Harmonikler Nasıl Bulunur?
Şebeke harmonikleri, güç kalitesi cihazı ile yapılan ölçümler sonucunda tespit edilir. Güç kalitesi cihazıyla ölçülen akım harmonikleri THDi, gerilim harmonikleri ise THDu olarak gösterilir.
Gerilim ve akım dalga şeklini ideal formundan uzaklaştıran doğrusal olmayan yükler:
- Kesintisiz güç kaynakları ve bilgi işlem yükleri
- Hız kontrol cihazları
- Doğrultucu devreleri
- Tristör kontrollü devreler
- Ark ocakları
- Kaynak makinaları
- Doyma bölgesinde çalışan transformatörler
- Nominal gücünün üzerinde yüklenen transformatörler
Doğrusal yükler:
- Omik Yükler, dirençler.
- Asenkron motorlar
- Kondansatörler
Altı darbeli köprü, altının katlarının her birinde bir fazla ve bir eksik olmak üzere 6n±1 harmonikler üretir.
Altı Darbeli Köprü
Harmonik Spektrum
Harmoniklerin Zararları
Harmonik akımlar ve harmonik gerilimler hem şebeke tarafında hem de yük barası tarafında problemlere yol açarlar. Elektrik tesisatlarında harmoniklerin zararları, neden olduğu olaylar ve sorunlar şu şekilde sıralanabilir:
- Rezonans oluşması sonucunda kompanzasyon tesisatının zarar görmesi
- Besleme şalterlerinin rezonans olayları nedeniyle belirsiz zamanlarda açma yaparak işletmeyi durdurması
- Motorlar ve kablolarında kayıpların artması ve aşırı ısınmaları (Deri Olayı)
- Yalıtımı zayıflatarak tesis elemanlarının ömürlerinin kısalması
- Nötr kablosunun yüklenmesi ve ısınması
- Kondansatörlerin ve ilgili teçhizatlarının servis sürelerinin belirgin şekilde kısalması
- Ölçüm cihazlarının hatalı ölçüm yapması
- Sıfır noktasına bağlı çalışan kumanda devrelerinin hatalı çalışması
- Transformatörlerin ve asenkron motorların aşırı ısınması
- Kayıpların artması. S = √ (P2 + Q2 + D2) D: Harmonik Bozulma
Şebekeye bağlı her bir tüketicinin doğrusal olmayan yüklerinin harmonikler üretmesi sonucu, kaynak empedansına orantılı olarak bu harmonik akımlar şebekeye akar. Birleşme noktasında (PCC) harmonik gerilim bozulması meydana gelir. Ne kadar çok tüketiciden harmonik akım üretilirse, PCC noktasında harmonik gerilim bozulması oranı artacaktır. Diğer bir ifadeyle, her bir kullanıcının şebekeye ilave bir harmonik katkısı olacaktır.
Harmonik Nasıl Önlenir?
Şebekenin harmonikler ile kirlenmesini önlemek amacıyla genel harmonik standartları yayınlanmıştır. Bu standartların belirlediği harmonik limit değerlerini aşan işletmelerin, harmonik seviyelerini bu limitlerin altına çekmesi gerekmektedir. Farklı yüklerin oluşturduğu harmonikleri bastırmak amacıyla harmonik kaynaklarına bağlı olarak çeşitli güç kalitesi çözümleri mevcuttur. Bu güç kalitesi çözümleri, sistem harmoniklerinin bastırılması ardından, yukarıda bahsedilen harmoniklerin neden olduğu olay ve sorunları ortadan kaldıracaktır.
Didem Ergun Sezer
Elektrik Mühendisi
Ergun Elektrik A.Ş.
didem@ergunelektrik.com
