ÖZET
Enerji kaynağının kalitesi, özellikle gerilim kalitesi birçok endüstriyel tesiste önemli bir etkiye sahiptir. Harmonikler sürücü devrelerin veya bilgisayarların hatalı çalışmasına ve büyük üretim kayıplarına neden olabilir.
Anahtar Kelimeler: Harmonikler, Harmonik filtre sistemleri.
HARMONİKLER
Güç elektroniğine dayanan sistemlerin yaygınlaşması enerji sisteminin kalitesi ile ilgili problemleri de beraberinde artırmıştır. Motor hız kontrol sistemleri, doğrudan frekans çeviriciler, kesintisiz güç kaynakları, anahtarlamalı güç kaynakları (PC, TV vb.), enerji tasarruflu lambalar gibi yükler ile doymuş manyetik karakteristikli devreler harmonik üreten yüklerdir.
Harmonik kaynakları:
• Güç elektroniğine dayanan üç fazlı sürücü sistemleri
• Pompa ve fan kontrol sistemleri,
• CNC makinaları, doğrultucular,
• DC kaynak makinaları, indüksiyon ocakları, rüzgar santralleri ve güneş pilleri,
• Tek fazlı yükler (TV, PC, video ve ses sistemleri)
Harmonik bozulma iki kategoriye ayrılabilir:
• Akımdaki harmonik bozulma
• Gerilimdeki harmonik bozulma
Elektronik kontrol sistemleri, kondansatörler ve motorlar belirli seviyenin üzerindeki harmonik bozulmalardan önemli ölçüde etkilenir.
Elektriksel kontrol sistemleri, birçok kontrol sistemi senkronizasyon veya kontrol amaçlı düzgün sinüs biçimli dalga şekline dayandığı için bozulmalara karşı en duyarlı kısımdır.
Kondansatörler dalga şeklinin tepe değerlerinden etkilenir. Harmoniklerin değerleri yüksek ise yalıtım azalacaktır.
Şekil 1: Bir binada ölçülen harmoniklerin değişimi
Harmonikler motorlar ve transformatörlerde aşırı ısınmalara sebep olur.
Gerilimdeki toplam harmonik bozulma değerinin % 5 ile sınırlanması gereklidir. Akımdaki harmonik bozulma hatlarda ve transformatörlerdeki kayıpların artmasına neden olmasının yanı sıra haberleşme sistemlerine de bozucu etkilerde bulunabilir, ayrıca rölelerin yanlış çalışmasına da sebebiyet verebilir.
Harmoniklerin enerji sistemi ve yükler üzerindeki bozucu etkileri çoğunlukla enerji kesintileri ve pahalı onarım çalışmaları ile sonuçlanmaktadır.
Genel olarak harmoniklerin etkisi aşağıdaki şekillerde ortaya çıkmaktadır:
• Koruma cihazlarının ve kesicilerin hatalı çalışması
Rezonans etkisi nedeniyle akım seviyeleri artmakta, bu nedenle kesici cihazlar yanlış çalışabilmekte ve sigortalar eriyebilmektedir.
• Transformatörlerin aşırı yüklenmesi
50/ 60 Hz frekansta çalışmak üzere tasarlanan ve imal edilen transformatörlerde demir kayıpları frekansın karesiyle orantılı eddy akım kayıpları ve frekansla doğru orantılı histeresiz kayıplarından oluşmaktadır. Artan frekansla birlikte kayıplar artmakta ve ilave ısınmalara sebep olmaktadır.
- Kondansatörlerin aşırı yüklenmesi
Kondansatör reaktansı ve akımı;
formüllerinden hesaplanır.
Yüksek frekanslarda kondansatör reaktansı düşer ve düşük reaktans dolayısıyla kondansatör akımları artar.
• Dağıtım elemanlarında ilave kayıplar
Harmonikler kablolarda, sigortalarda ve baralarda temel akım bileşenine ilave akımlar akmasına neden olduğu için ilave ısınmalara sebep olurlar.
• Nötr iletkeninde aşırı akımlar oluşması
Dengeli yük durumunda harmonikler olmadığı koşullarda nötrden akan toplam akım sıfırdır.
Ancak 4 telli sistemlerde tek fazlı lineer olmayan yükler dolayısıyla yüksek değerlerde üç ve üçün katı harmonikler oluşur. Bu akımların toplamı yıldız noktasında sıfır olmadığı için nötr akımı çok yüksek değerlere ulaşabilmektedir. Bu da nötr iletkeninin çok ısınmasına sebep olacaktır.
• Elektronik kontrol sistemleri ve bilgisayarların yanlış çalışması
Harmonikler nedeniyle bozulan dalga şekilleri ve nötr iletkeninden akan akımlar elektronik kartların ve bilgisayarların arızalanmasına neden olabilmektedir.
• Ölçü cihazlarında hatalı ölçümler
Ölçüm sistemlerinin doğruluğu harmoniklerden etkilenmektedir. Aktif enerji sayaçları güç akışını belirleyebilirken büyüklüklerini hatalı ölçmektedirler.
Reaktif enerji sayaçlarının doğruluğu ise aktif güç sayaçlarına oranla daha az etkilenmektedir.
• Rezonans
Transformatör, sistemdeki tüm elektriksel cihazlar, sisteme ilave edilen kondansatörlerle beraber rezonans devresi oluştururlar. Rezonans koşullarının oluşması durumunda sistemde aşırı akımlar ve gerilimler meydan gelir. Bu aşırı akımlar ve gerilimler cihazların arızalanmasına, koruma sistemlerinin devreye girerek sistemin enerjisiz kalmasına, dolayısıyla üretim kaybına sebep olabilir.
ÇÖZÜMLER
Harmoniklerle ilgili yaşanabilecek yukarıda sayılan sorunlardan kurtulmanın yolu sistemdeki harmoniklerin azaltılmasıdır.
Harmoniklere karşı sistemde ölçümler yapıldıktan sonra harmonik seviyeleri ve mertebeleri belirlenip filtre sisteminin tipine karar verilir. Sistemdeki harmonik düzeyleri harmonik filtre sisteminin filtreleme frekansının ayarlanacağı değerlerin belirlenmesinde kullanılır.
Şekil 2: Örnek harmonik filtre sistemi
Kompanzasyon ihtiyacı olmayan sistemlerde kondansatör ve reaktörlerin seri bağlanmasıyla oluşturulan pasif filtre sistemleri kullanılamayacağından bu gibi durumlarda aktif filtreler bir çözüm olacaktır. Aktif filtreler yüksek frekansta açma kapama işlemlerini gerçekleştirebilen IGBT vb. elemanlardan, uçlarındaki gerilim değerinin değiştirilmesi ile akım dalga şekli biçimlendirilmek üzere kullanılan indüktans ve kondansatörle oluşturulan bir doğru gerilim barasından oluşur.
Şekil 3: Aktif filtre prensip şeması
Ancak çoğu durumda sistemlerde harmoniklerin yanı sıra kompanzasyon ihtiyacı da olduğu için pasif filtre sistemleri gereken çözümü sağlamaktadır.
Pasif filtre sistemi; kondansatör ve uygun endüktansa sahip, endüktansın seri bağlanmasıyla oluşturulmuş, belirli bir frekanstaki harmonikler için minimum empedans oluşturacak bir rezonans devresidir. Rezonans frekansının harmonik frekansına çok yakın bir değere ayarlanmış olması gerekir.
Tipik bir harmonik filtre sisteminde;
• 5. Harmonik filtresi ( 250Hz),
245 Hz’e ayarlanmış,
• 7. Harmonik filtresi ( 350Hz),
345 Hz’e ayarlanmış,
• 11. Harmonik filtresi (550Hz),
545 Hz’e ayarlanmış,
harmonik filtreleri bulunur.
Sistemdeki harmoniklerin seviyesine, gerilim yükselmelerine ( + % 10) ve reaktör kayıplarını minimize etmeye yönelik kondansatör gerilimi seçilmelidir.
Kaynaklar:
1) Power Transmission and Distribution Guideline, Siemens 1999.
HABERİN DEVAMI İÇİN AŞAÐIDAKİ LİNKLERİ TIKLAYINIZ:
Aktif harmonik filtreler
PQM Power Quality Management
Hassas bir kompanzasyon için
EDE Power statik anahtarlı filtreli kompanzasyon sistemleri
Kompanzasyon
Güvenilirlik bize yüksek motivasyon veriyor
Karmet, kullanıcı ayarı gerektirmeyen elektronik kompanzasyon cihazları üretiyor
Kompanzasyon sayesinde daha fazla güç iletimi olanaklı hale geliyor
Harmonikler
