Harmonik bozulma nedir? Harmonik kaynakları ve zararları

Herhangi bir elektronik devreye sinüsoidal (veya herhangi bir sinyal biçimi) biçiminde bir giriş sinyali uyguladığımızda , çıkışı aynı türde sinyal olmalıdır. Çıkış sinyali ile giriş sinyali eşit değilse burada bir elektriksel güç kalitesi problemi vardır. Şimdi bu probleme biraz daha yakından bakalım.

Harmonik bozulma nedir?

Harmonik bozulma, elektrik dağıtım sistemleri içindeki frekanslardaki değişikliklerden kaynaklanan yaygın gerilim ve akım değişimleridir. Harmonik bozulma olduğunda özellikle, gerilimlerde veya akımlarda tipik sinüsoidal dalgadan sapmalar oluşur.

Alternatif akımda ve gerilimde en temiz, en net ve en istenen efektif dalga şeklinin tam sinüsoidal olması beklenir.  Bu dalga şekli değiştiğinde şebeke ve yükler üzerinde çok ciddi zararları olabilir.

Bir direnç, AC devresinde de DC devresinde de aynı şekilde davranır. Yani, direnç boyunca akan akım, oradaki gerilimle doğru orantılıdır. Direncin doğrusal bir elaman olması nedeniyle ve buna uygulanan gerilim ve akım da sinüsoidal dalga şekline sahiptir. Dolayısıyla ikisi arasındaki faz farkı sıfırdır.

Bir elektrik devresinde veya elektronik cihazda gerilim-akım karakteristiği çoğu zaman lineer değildir. Dalganın şekli ideal sinüsten farklı olabilir. Bu tip dalga şekillerine sinüsoidal olmayan veya kompleks dalgalar denir.

Sinüsoidal olmayan dalga şekilleri transformatör anahtarlanmaları, elektronik balastlar, ağır endüktif yükler, alternatörler, jeneratörler ve diğer elektriksel cihazlar tarafından üretilir.

Ayrıca, doğrultucular, SCR’ler, transistör, konverterler, solid state anahtarlar gibi güç kaynağının sinüs dalga şeklini kıyan veya AC’yi DC’ye çeviren cihazlar da yükü sinüsoidal olmayan akımlarla beslerler.

Temel dalga şeklinin yani en doğru dalga şeklinin aşağıda gösterildiği gibi olması beklenir. Vmax gerilim cinsinden tepe değer, f ise hertz cinsinden frekanstır. Frekans 1 peridotluk dalga demektir. (1 saniyede oluşan döngü) Türkiye’de kullanılan frekans 50Hz’ken Amerika’da 60Hz’tir.

Harmonikler, temel frekansın katları olan frekanslarda çalışan akım ve gerilimlerdir. 50Hz.’i temel frekans yani birinci harmonik olarak düşünürsek 100Hz’i ( 2x50Hz) ikinci harmonik, 150Hz’i (3x50Hz) çüncü harmonik, 250Hz’i beşinci harmonik, 350Hz’i yedinci harmonik olarak adlandırabiliriz. Aynı şekilde 60Hz için ikinci, üçüncü, dördüncü, beşinci harmonikleri 120Hz, 180Hz, 240Hz ve 300Hz olarak adlandırabiliriz.

Yukarıdaki kırmızı dalga formları, temel frekansa eklenmiş olan harmonik nedeniyle bir yük tarafından görülen dalga biçimlerinin gerçek şekilleridir. Sinüsoidal olmayan bozuk bir dalganın, her biri kendi tepe değerine ve faz açısına sahip, temel dalga biçimi artı harmoniklerden oluştuğunu görebiliriz. Örneğin temel frekansı E=Vmax(2πƒt) olarak düşünürsek diğer harmonik değeleri şu şekilde olur:

İkinci harmonik:

Üçüncü harmonik:

Dördüncü harmonik:

olur ve sonuçta şu şekilde bir formül elde ederiz:

Bir pozitif harmonik (4, 7, 10,…) temel frekansla aynı dönüş yönündedir. Negatif bir harmonik ise  (2., 5., 8.,…) temel frekansla ters dönüş yönündedir.

Pozitif harmonikler, iletkenlerin, güç hatlarının ve transformatörlerin aşırı ısınmasına neden oldukları için istenmemektedir. Diğer taraftan negatif harmonikler ise özellikle endüksiyon motorlarının gerektirdiği döner manyetik alanı zayıflatırlar ve daha az mekanik tork üretmelerine neden olurlar.

3’ün katları şeklinde olan harmonikler ise AC 3 fazlı sistermlerde 120 derece faz farkı bulunduğu için  3. harmoniğin frekansındaki akımlar aynı fazda bulunmaktadır. 120 derece faz farkında bu akımların vektörel toplamı birbirini dengelerken aynı fazda olan akımlar arasında 0 faz farkı olur ve birbirinin üzerine eklenerek 3 kat fazla akıma sebep olur.

Bu sebeple 3. harmonikten dolayı nötr hattından 3 kat fazla bir akım akmış olur. Bu da hatta ısınmalara, ilave kayıplara ve hatta arızalara sebep olmaktadır. Bu durum sekonderi yıldız bağlı sistemler için geçerlidir. Trafonun üçgen tarafında 3. dereceden harmonikler şebekeye geçmeyip sargılar içerisinde kalmaktadır. Bu durum da kullanıcı tarafında bir problem oluşturmasa da hattı besleyen trafo için ilave ısı ve kayıplar oluşturur.

Harmonik kaynakları

Bazı harmonik üreten cihazlar şunlardır:

• Kesintisiz güç kaynakları.
• Hız kontrol cihazları .(Frekans konvertörleri)
• Redresör ve akü şarj cihazları.
• Bilgisayarlar.
• Transformatörler.
• Motorlar.
• Ark fırınları.
• Kaynak makineleri.
• Endüksiyon ocakları.
• Lineer olmayan güç elektroniği elemanları.
• Elektronik balastlar.

Harmoniklerin zararları

Harmoniklerin negatif etkileri şunlardır:

• Şebeke geriliminde bozulmalar.
• Gerilim düşmeleri.
• Yüklerde kayıpların artması.
• Nötr akımının artması.
• Kompanzasyon sistemlerinin aşırı reaktif yüklenmesi, kondansatörlerin güç kaybetmesi ve hatta sonunda delinmesi.
• Motorlarda ve kablolarda aşırı ısınma.
• Motorlarda ve makinelerde vibrasyon ve mekanik stres.
• Tüm elektronik kökenli cihazların yanlış ölçüm yapması, arızalanması, ömürlerinin kısalması vs..
• Devre kesicilerin yanlış açma yapması.
• Enerji kayıpları.
• Cihazların izolasyonlarında bozulmalar.
• İletişim cihazlarında parazitler.