Harmonik Ölçüm Analiz ve Raporlama

Harmonik nedir

Günümüzde güç elektroniği sistemlerinin (motor sürücüler, kesintisiz güç kaynakları, bilgisayar sistemleri vb.) endüstriyel tesislerde yüksek oranda kullanılmaya başlaması ile harmonikler elektrik şebekelerinde ve endüstriyel tesislerde yaşanan arızaların önemli nedenlerinden biri haline gelmiştir.
Harmonikler, şebeke frekansı olan 50 Hz’in katları şeklinde ortaya çıkan, elektronik sistemlerin çekmiş olduğu akım şekli içerisinde birbiri üstüne binmiş daha yüksek frekanslardaki sinüs formundaki akımlar olarak ifade edilebilir.
Harmoniklerin şebeke ve endüstriyel tesislerde yaşattığı başlıca sorunlar aşağıda belirtilmiştir:

• Kondansatörlerde aşırı ısınma ortaya çıkar. Aşırı ısınan kondansatörlerin dielektrik malzemesi bozulur, kondansatörlerin ömrü oldukça kısalır.
• Transformatörlerde, baralarda ve kablolarda aşırı ısınma ortaya çıkar.Kayıplar artar ısınmalar sonucu arızalar meydana gelir.
• Aşırı yüklü bir durum olmasa da sigortalar atar, koruma cihazları hatalı olarak devreye girerler. Sigortanın atması durumunda kritik yükler devre dışı kalarak veri, zaman ve iş gücü kaybına neden olurlar.
• Elektromanyetik cihazlar gürültülü çalışır. Sistem parçaları rezonansa girebilir. Ortaya çıkan ses çevreyi rahatsız eder, titreşimler mekanik arızalara neden olur.
• Gürültü, özellikle iletişim hatları, bilgisayarlar ve hassas cihazlarda etkileşime neden olur. Veri kayıpları, cihazlarda kilitlenme iletişim problemleri ve benzer sorunlar ortaya çıkar.

Yukarıda belirttiğimiz gibi, harmonikler nedeni ile sistemde yaşanan en büyük sorun elektriksel rezonanstır. Rezonans etkisi her tesiste olmaz ise olmaz iki temel cihazın ana trafo ile kompansazyon sistemi arasında oluşur. Bu rezonans harmoniklerin olması gereken değerlerin çok yüksek seviyelere çıkmasına ve tesis içerisinde kompanzasyon sistemi içerisindeki şalt cihazlarının arızalanmasına ve bazı durumlarda yangın ve benzeri tehlikelere yol açarak maddi ve manevi kayıplara neden olurlar.
Harmonikler nedeni ile kompanzasyon sisteminde sorun çıkmaması ve rezonans nedeni ile tesiste enerji kalitesi sorunları yaşanmaması açısından birçok yeni tesiste kompanzasyon panolarının filtreli tipte olması tercih edilmektedir.
Elektrik piyasasında harmonik filtreli kompanzasyon sistemleri olarak da bilinen sistemler kondansatör grupları önüne seri olarak bağlanan özel tasarımlı endüktans bobinlerinden oluşmaktadır.

Bu sayede, endüstriyel tesislerdeki elektriksel rezonans riski ortadan kaldırılarak harmoniklerin sistem içerisinde yaratacağı olumsuz etkiler minimuma indirgenmektedir. Harmonikler nedeni ile yaşanan problemler harmonik üreten cihazların hızla artması nedeni ile sürekli olarak artacaktır. Bu neden ile yeni kurulan veya modernleştirme çalışmaları yapılan tesislerde harmoniklere karşı önlemler alınmalıdır.

Harmonikler hakkında genel bilgi

Elektrik şebekesinde saf sinüs şeklinde bir gerilim bulunması sebebiyle şebekeden çekilen akımın da saf sinüs şeklinde olması beklenir. Ancak son zamanlarda elektrik şebekelerinde saf sinüs şeklindeki gerilim ve akım dalga şekilleri ile karşılaşma olasılığı düşmüştür. Bunun nedeni, modern enerji dönüşüm teknikleri kullanan cihazların sayısındaki hızlı artıştır. Özellikle güç elektroniğinde yaşanan gelişmelere paralel olarak üretilen modern cihazlar hem enerjiyi verimli kullanmakta hem de kullanıcıya ek olanaklar sunmaktadır. Ancak şebekeden sinüs şeklide olmayan akımlar çeken bu cihazlar elektrik şebekesinde birçok probleme ve gerilim dalga şeklinde bozulmalara neden olmaktadırlar.

Harmonik üreten başlıca yükler

• Motor sürücüleri (Hız kontrol cihazları) • Kesintisiz güç kaynakları (UPS’ler) • Bilgisayarlar ve ofis cihazları • Deşarj lambaları • Otomatik kontrol sistemleri • Redresörler

Örnek olarak aşağıda üç fazlı bir motor sürücünün çektiği akım dalga şekli görülmektedir.

Motor sürücü akımının Fourier analizi sonucu elde edilen bileşenleri

Temel bileşen şebeke frekansındaki bileşendir. Türkiye’de kullanılmakta olan elektrik şebekesinin frekansı 50 Hz olduğundan temel bileşen frekansı da 50 Hz’tir. Harmonik bileşenler ise 50 Hz’in katları olan frekanslardaki bileşenlerdir. 3. harmonik bileşen denildiği zaman 3×50 Hz, yani 150 Hz’teki bileşen anlaşılır. Bazı harmonik bileşenler ve frekansları aşağıda tablo halinde verilmiştir.

2. harmonik bileşen gibi çift katsayılı harmonik bileşenlere elektrik şebekelerin-deki dalga şekillerinin simetri özellikleri nedeni ile bazı özel durumlar dışında (yarım dalga doğrultucular gibi) rastlanmazlar. Cihazların çektikleri akımın dalga şekli ve bu dalga şeklinin içerdiği harmonik miktarı, cihazın iç yapısına ve çalışma prensibine bağlıdır.

Harmonik nedenli problemlere örnekler

• Kompanzasyon kondansatörlerinin kısa sürede bozulmaları. • Kompanzasyon sigortalarının atması, beklenmeyen kompanzasyon veya ana şalter açmaları. • Şebeke gerilim şeklinde aşırı bozulma. • Elektronik cihazlarda ve bilgisayarlarda anlamsız hatalar ve kilitlenmeler. • Elektronik kartlarda sebebi anlaşılamayan sorun ve arızalar. • Ölçüm sistemlerinde hatalar. • İletişim sistemlerinde parazitler ve sorunlar.

Harmonikler ve rezonans

Motor sürücüleri (hız kontrol cihazları), kesintisiz güç kaynakları, bilgisayarlar ve otomasyon sistemleri gibi şebekeden harmonik içerikli akımlar çeken cihazların yoğun olarak kullanıldığı tesislerde reaktif güç kompanzasyon sistemleri harmoniklerin etkileri de dikkate alınarak tasarlanmalıdır. Yeni kurulan birçok tesiste yukarıda belirtilen cihazlar yoğun olarak kullanılmaktadır. Ayrıca eski tesislerde de yapılan yeni yatırımlar ve modernleştirme çalışmaları ile harmonikli akımlar çeken cihazların oranları sürekli olarak artmaktadır. Bütün bunlara sürekli daraltılan reaktif enerji ceza oranları da eklendiğinde artık endüstriyel tesis ve büyük yapılarda (iş merkezleri, holding merkezleri, banka merkez-leri v.b.) sağlıklı çalışan ve tesisteki diğer cihazlara zarar vermeyen bir reaktif güç kompanzasyon sistemi kurulması yoğun teknik bilgi ve deneyim gerektiren bir konu haline gelmiştir. Geleneksel kompanzasyon sistemlerinde kondansatörler kademeler halinde düzenlenmiştir. Bu kademeler reaktif güç kontrol rölesinin kontaktörlere verdiği komutlar ile devreye alınıp devreden çıkartılır. Harmonik oranlarının düşük olduğu tesislerde sorunsuz olarak çalışan bu sistemler tesisteki harmonik oranlarının artması ile birlikte sorunlar çıkartmaya başlar.

Akım harmoniklerinin yüksek olduğu bir tesiste uygun olmayan kompanzasyon sistemi nedeni ile bozulan üç faz’a ait gerilim dalga şekilleri;

Reaktif güç kompanzasyonu için kullanılan reaktif güç kondansatörleri kapasitif elemanlar olup reaktansları artan frekans ile azalmaktadır. Bunedenlekondansatörler Bu nedenle kondansatörler sistemde harmonik içerikli gerilim bulunması halinde aşırı akım çekmeye başlar. Bu da kondansatörlerin zarar görmesine neden olur. Harmonikli sistemlerde sık karşılaşılan bir diğer durum da kompanzasyon sisteminin şebeke ile rezonansa girmesidir. Kapasitif karakterli güç kondansatörleri ile endüktif karakterli elektrik şebekesinin reaktans mutlak değerleri belli bir frekansta eşit duruma gelirler. Harmonik rezonans frekansı adı verilen bu frekans sistemde bulunan akım harmonik frekanslarından birine yaklaşırsa kompanzasyon sistemi ile şebeke arasındaki akım çok yüksek değerlere çıkar. Bu durumda artan akım nedeniyle ana şalter açmaları, kompanzasyon şalteri açmaları, kondansatör patlamaları veya kontaktör arızaları ve şebeke geriliminde oluşan aşırı bozulmalar nedeni ile elektronik cihaz ve kartlarda arızalar ortaya çıkar.

Filtreli kompanzasyon sistemleri

Harmoniklerin yoğun olduğu sistemlerde harmonik akımların ve buna bağlı olarak harmonik gerilim bozulmalarının artışını engellemek için kompanzasyon sistemleri filtreli olarak tesis edilmelidir. Filtreli Kompanzasyon Sistemlerinde her kademedeki güç kondansatörleri ile şebeke arasında harmonik filtre reaktörleri yer alırlar. Kondansatör ve reaktörden oluşan kompanzasyon grubunun reaktansı, harmonik frekanslarında sadece kondansatör kullanıldığında elde edilen reaktanstan daha yüksektir. Artan reaktans nedeniyle, harmonik gerilim bozulmaları olan sistemlerde kondansatörlerin şebekeden çektikleri akımlar sınırlanır. Ayrıca kondansatör ve reaktörün seri rezonans frekansı, tesisteki yüklerin ürettikleri harmonikler dikkate alınarak güvenli bir noktaya ayarlandığı için kompanzasyon sistemi ile şebeke arasında hiçbir harmonik frekansında rezonans durumu oluşamaz. Sistemin yapısı her ne kadar basit gibi gözükse de sistemin boyutlandırılması ve elemanların seçimi gerçek anlamda mühendislik çalışması gerektirir. Sistemin düzgün çalışması ve beklenen yararları sağlaması için rezonans frekansının sisteme uygun olarak seçilmesi, kondansatör seçiminin doğru olarak yapılması, reaktörlerin kondansatörlere uygun olarak seçilmesi ve kompanzasyon panosunun reaktörler nedeni ile oluşacak ek sıcaklık artışına uygun şekilde tasarlanması gereklidir. Genellikle standart ürün kataloglarından seçilen ürünler ile oluşturulan filtreli kompanzasyon sistemlerinde kondansatör ve reaktör uyumuna dikkat edilmediği görülmüştür. Kullanılan bazı kondansatörlere uygun reaktörler kataloglarda yer almadığı için bunların yerine daha yüksek güçler için tasarlanmış ve üretilmiş reaktörlerin kullanıldığı gözlemlenmektedir. Bu durumda sistemin rezonans frekansı kayacağından filtreli kompanzasyon sisteminde kondansatör ve reaktörlerin zarar görmeleri olasıdır. Bu tip hataların önüne geçmek için kataloglarda belirtilen reaktör ve kondansatör seçim tablolarına uymak gerekir. Tablolarda belirtilmeyen farklı ürünler ile yapılacak uygulamalarda ise kondansatör ve reaktör çiftlerinin uyumundan emin olmak için konunun uzmanı firmalara danışılmalı veya üretici firmalardan destek alınmalıdır.