Supraharmonikler Nedir?

Harmonik frekanslar, şebeke frekansının tam sayı katları olan frekanslardır. Harmonikler, genellikle 100 Hz (2. harmonik) ile 2 kHz (40. harmonik) frekans aralığında tanımlanırlar.

Örneğin, 50Hz temel frekanstan üçüncü harmonik 150Hz, beşinci harmonik ise 250 Hz’dir.

Diyotlardan oluşan doğrultucu giriş katına sahip hız kontrol cihazlarında çoğunlukla altı darbeli köprü doğrultucu yapısı kullanılır. Bu yapıların oluşturduğu akım dalga şekli Şekil 1’de görülmekte olup, karakteristik olarak 6n ± 1 harmoniklerini üretir. Bu nedenle, diyotlu hız kontrol cihazlarında özellikle 5., 7., 11. ve 13. harmonikler belirgin olarak ortaya çıkar.

Tipik bir altı darbeli diyot katı yapısına sahip hız kontrol cihazı devresi Şekil 1’de verilmiştir.

Şekil 1

Tipik bir altı darbeli diyot katı yapısına sahip, kapasitif düzgünleştirmeli ve kontrolsüz bir doğrultucunun ürettiği şebeke akımı iL(t) ve gerilim uLN(t) sinüzoidal dalga formları Şekil 2’de verilmiştir.

Şekil 2

Son yıllarda üzerinde daha fazla durulan bir diğer konu ise supraharmoniklerdir. Supraharmonikler, 2 kHz ile 150 kHz arasındaki frekans bölgesinde oluşan gerilim ve akım bozulmalarıdır. Bu yüksek frekanslı bileşenlerin ana kaynaklarından biri, hız kontrol cihazlarının giriş katında kullanılan ve yüksek anahtarlama frekanslarına sahip IGBT’lerdir. Anahtarlama frekansının yükselmesi, klasik harmonik bileşenlerin üzerine eklenen supraharmonik bileşenlerin şebekeye yayılmasına yol açmaktadır.

IGBT’lerin kullanıldığı Aktif Giriş Katı (AFE) teknolojisine sahip doğrultucular ise, daha kontrollü ve sinüzoidale yakın bir akım dalga formu üretir. AFE yapısının tipik akım dalga şekli Şekil 2’de görülebilir. Ancak bu yapılarda PWM tabanlı kontrol kullanıldığından, yüksek frekanslı supraharmonik bileşenlerin oluşması da kaçınılmazdır.

Tipik bir IGBT’li doğrultucu kat yapısına sahip hız kontrol cihazı devresi Şekil 3’te verilmiştir.

Şekil 3

Tipik bir AFE (Aktif Giriş Katı) yapısına sahip, kapasitif düzgünleştirmeli ve ek filtre içermeyen bir PWM eviricinin, giriş akımı iL(t) ve şebeke gerilimi uLN(t) olan sinüzoidal dalga formları Şekil 4’de verilmiştir.

Şekil 4

Son 30 yıldır, güç sistemlerinde 50 Hz–2 kHz aralığındaki harmonikler, ölçülebilir olmaları ve uygun filtre devreleri ile filtrelenebildikleri için bilinen bir güç kalitesi problemi olarak kabul edilmektedir.

Ancak, son 10 yılda, güç elektroniğindeki gelişmelerle birlikte, elektrik şebekesinde 2 kHz–150 kHz aralığında ortaya çıkan ve supraharmonik olarak adlandırılan yeni bir güç kalitesi problemi, daha sık karşılaşılan ve etkileri daha belirgin şekilde hissedilen bir sorun haline gelmiştir.

Tablo 1’de, iletim hatlarında gözlemlenen girişim türlerinin frekans tabanlı sınıflandırmaları ve bu sınıflara karşılık gelen frekans aralıkları sunulmuştur.

Supraharmonik Kaynaklı Güç Kalitesi Problemleri:

Supraharmonik kaynağı olabilen cihazlar Tablo 2’de listelenmiştir.

Tablo 2’de yer alan cihazların neden olduğu supraharmonikler, 2 kHz ile 150 kHz arasındaki frekans aralığında oluşan güç kalitesi bozulmalarıdır. Günümüzde sayıları hızla artan elektrikli araç şarj sistemleri, fotovoltaik inverterler ve AFE tipi hız kontrol cihazları gibi PWM tabanlı güç elektroniği devreleri, bu bozulmaların başlıca kaynakları arasında yer almaktadır.

Sahada karşılaşılan supraharmonik kaynaklı güç kalitesi sorunları, şebekelerde flicker, kablolarda ve kondansatörlerde yaşlanma, duyulabilir gürültü ve elektrikli araçlarda şarj kesintileri gibi çeşitli etkilerle kendini göstermektedir.

Bu tür durumlara ilişkin bazı örnekler Tablo 3’te sunulmuştur.

Tablo 3’te gösterildiği üzere, 2 kHz–150 kHz aralığında yer alan supraharmonik bileşenler, yalnızca güç sistemlerinin genel performansını olumsuz etkilemekle kalmaz; aynı zamanda sahada kullanılan çok çeşitli cihaz gruplarında doğrudan işlevsel bozulmalara yol açar.

Hız kontrol cihazlarında DC link kondansatörlerinin aşırı ısınması ve buna bağlı ömür kısalması, sokak aydınlatmalarında ve dimmer kontrollü lambalarda istenmeyen açılma–kapanmalar, hatta trafik lambalarında yanlış sinyalizasyona kadar uzanan sonuçlar; bu bozulmaların ne kadar ciddi ve pratik etkiler doğurabileceğini açıkça ortaya koymaktadır.

Supraharmoniklerin, özellikle inverter tabanlı sistemlerin yoğun olduğu ve elektriksel olarak “zayıf” kabul edilen mikro şebeke yapılarında, sistem kararlılığını daha da fazla bozduğu bilinmektedir. Bu durum; inverterlerin beklenmedik şekilde hatalı çalışmasına, sistemlerin devre dışı kalmasına ve enerji sürekliliğinin bozulmasına neden olabilir.

Dolayısıyla Tablo 3’te sunulan örnekler, supraharmoniklerin yalnızca akademik veya teorik bir güç kalitesi sorunu olmadığını; tersine, hem endüstriyel süreçlerde hem de günlük yaşamda doğrudan güvenlik, güvenilirlik ve performans problemlerine yol açabilecek ciddi bir tehdit olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, güç sistemlerinin genel güvenilirliği açısından kritik bir öneme sahiptir ve mutlaka dikkate alınmalıdır.

Supraharmonikler artık göz ardı edilemeyecek kadar yaygın ve etkisi büyüyen bir güç kalitesi problemi haline gelmiştir.

Buna rağmen, sahadaki birçok güç kalitesi incelemesinde halen yalnızca A Sınıfı olmayan güç kalitesi analizörleri kullanılmaktadır. Bu cihazlar temel harmonikler ve klasik parametreleri izlemek için yeterli olsa da, supraharmonik frekans aralığını gerekli doğruluk ve çözünürlükte ölçme yetisine sahip değildir.

Sonuç olarak; 2 kHz–150 kHz bandındaki bozulmalar çoğu zaman ya hiç ölçülememekte, ve  güvenilir veri üretilememektedir. Bu durumun doğal sonucu olarak sahada yaşanan arızalar, yanlış çalışmalara dair şikâyetler veya beklenmedik sistem davranışları ölçümlerde görünmemekte; dolayısıyla sorunun gerçek kaynağı tespit edilememektedir. Tespit edilemeyen problemler ise çözülememekte ve saha sorunları devam etmektedir.

Supraharmoniklerin  Ölçüm Yöntemleri ve Tespiti :

Modern güç elektroniği cihazlarının yüksek anahtarlama frekanslarına sahip olmasıyla birlikte, supraharmonikler 2 kHz–150 kHz aralığında daha yaygın hale gelmiş ve geleneksel harmonik analiz sınırlarının ötesine geçmiştir.

Bu nedenle, özellikle elektrikli araç şarj altyapısı ve güneş enerji sistemleri (GES) gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının entegrasyonunda, supraharmoniklerin ölçülmesi, modellenmesi ve filtrelenmesi kritik bir önem kazanmıştır.

Örneğin; otobanda GES ile beslenen 10 adet araç şarj istasyonunun bulunduğu bir tesisatı ele alalım. GES, 16 kHz bandında supraharmonik yaymaktadır. GES tarafından beslenen şarj cihazlarında araçlar şarj edilirken, cihazlardan birinin 50 kHz bandında supraharmonik üretmesi, yanındaki başka bir aracın yaklaşık 20 saniye sonra şarjının kesilmesine neden olabilmektedir.

Bu tür bir olayda Class A olmayan bir güç kalitesi ölçüm cihazı ile ölçüm yapılması durumunda, sorun tespit edilemeyecektir. Çünkü Class A olmayan cihazların harmonik ölçüm yetenekleri genellikle 2 kHz–9 kHz aralığı ile sınırlıdır ve supraharmonik ölçümleri için yeterli değildir.

Dolayısıyla yaşanan güç kalitesi problemi ölçümlere yansımamakta; problem tespit edilemediği için farklı arıza senaryoları araştırılmakta, ancak gerçek neden ortaya konulamamaktadır.

IEC 61000-4-30 Ed.3 ve IEC 62586-2 Ed.2 standartları, enerji kalitesi ölçüm cihazlarının doğruluk sınıflarını, ölçüm yöntemlerini ve sonuçların karşılaştırılabilirliğini tanımlar.

Class A cihazlar, yüksek doğruluklu, senkronize ve tekrarlanabilir ölçümler yapabilen profesyonel sistemlerdir. Enerji dağıtım şirketleri, regülasyon otoriteleri ve büyük sanayi kuruluşları tarafından resmi enerji kalitesi izlemelerinde tercih edilmektedir.

Güç kalitesi sorunlarının doğru şekilde tespit edilebilmesi için, özellikle supraharmonik analiz gerektiren durumlarda taşınabilir Class A cihazlarla ölçüm yapılması gerekmektedir. Class A cihazlar, uygun donanım ve yazılım altyapısı ile 150 kHz’e kadar frekans bileşenlerini analiz edebilmektedir.

Ayrıca yapılan ölçümler, tesisin güncel IEC 61000-2-2 ve IEC 61000-2-4 serisi güç kalitesi standartlarını karşılayıp karşılamadığını raporlayabilmelidir.

Sonuç olarak; doğru güç kalitesi ölçüm cihazı ve doğru ölçüm metodolojisi ile gerçekleştirilen analizler, güç kalitesi problemlerinin doğru şekilde tespit edilmesine ve etkin çözümler geliştirilmesine olanak sağlar.

Supraharmonik Filtresi :

Supraharmonikler; özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarının, elektrikli araçların ve aktif giriş katına (AFE) sahip hız kontrol cihazlarının yaygınlaşmasıyla birlikte modern elektrik şebekelerinde hızla artan ve giderek karmaşıklaşan önemli bir güç kalitesi sorunu haline gelmiştir. 2 kHz–150 kHz aralığında yer alan bu yüksek frekanslı bozulmalar, geleneksel harmoniklerin ötesinde etkiler oluşturarak hem iletim hem de dağıtım sistemlerinde; haberleşme hatalarına, koruma sistemlerinde yanlış tetiklemelere, hassas cihazlarda performans kayıplarına ve ekipman ömürlerinin kısalmasına neden olmaktadır.

Bu kapsamda, supraharmoniklerin kaynağında etkin şekilde bastırılması amacıyla geniş bantlı pasif filtreler önemli bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Bu filtreler, belirli frekans aralıklarındaki supraharmonik bileşenleri sönümleyerek sistemden izole eder; böylece hem doğrudan supraharmonik etkileri hem de bu etkilerin tetiklediği ikincil harmonik bozulmaları minimize eder.

Güç sistemine kolaylıkla entegre edilebilen, düşük maliyetli ve yüksek güvenilirliğe sahip bu pasif filtreler; yenilenebilir enerji ve güç elektroniği tabanlı yüklerin yoğun olduğu modern enerji altyapılarında kritik bir rol üstlenmektedir. Böylece ekipmanların ömürleri uzar, arıza oranları azalır ve genel güç kalitesi iyileşir ve en önemlisi rezonans riskleri kontrol altına alınır.

Şekil-6: Seri Pasif Harmonik Filtre Devre Şeması

Bir önceki paragrafta verdiğimiz otoban örneğinde, çatı GES’in yaydığı 16 kHz bandındaki supraharmonikler ile araç şarj ünitelerinin oluşturduğu yaklaşık 50 kHz supraharmonik bileşenler, uygun şekilde tasarlanmış geniş bantlı pasif filtreler kullanılarak etkin biçimde sönümlendirilebilir. Bu sayede çatı GES’li şarj istasyonu, şarj kesilmesi arızaları yaşanmaksızın kararlı ve güvenilir bir işletim performansıyla hizmet verebilir.

SONUÇ :

Sonuç olarak, supraharmoniklerin doğru şekilde tespit edilebilmesi için güç kalitesi ölçümlerinde Class A cihazlar kullanılmalı ve 2 kHz–150 kHz frekans bandı gerekli doğruluk ve çözünürlükte ölçülebilmelidir.

Tespit edilen supraharmonik bileşenler ise geniş bantlı pasif filtreler aracılığıyla sistemde etkin biçimde bastırılarak tesisin güç kalitesi önemli ölçüde iyileştirilebilir.

Modern elektrik altyapılarının güvenli, kararlı ve yüksek performansla çalışabilmesi için; gelişmiş ölçüm teknolojileri ile doğru tasarlanmış pasif filtre çözümlerinin birlikte kullanılması kritik bir gerekliliktir. Supraharmoniklerin kontrol altına alınması, yalnızca ekipman ömrünü uzatmakla kalmaz; aynı zamanda sistem güvenilirliğini artırarak sürdürülebilir ve kesintisiz enerji işletimine katkı sağlar.

Didem Ergun Sezer

Elektrik Mühendisi

Ergun Elektrik A.Ş.