GİRİŞ :

Günümüz teknolojisinde, üretimin olduğu tüm işletmelerde, aşağıdaki bölümlerde detaylandırılan      ‘Harmonikler ‘  mevcuttur.

Bu makalenin amacı:
- Harmonikler neden kaynaklanıyor?
- Etkileri neler oluyor?
- Nasıl azaltılabilir ve hangi metotlar kullanılır?
- Zararları nelerdir?

Bu soruların cevaplarının bilinmesi; bir işletme için, gizli kalmış problemlerin saptanması, farkındalığın oluşması ve gereken tedbirlerin alınabilmesi için çok önemlidir.
Kompresör (frekans konvertörlü, invertörlü) kullanımıyla, daha da öne çıkan bu konunun, gerek üreticiler ve gerekse kullanıcılar tarafından doğru algılanması ve buna göre aksiyon alması büyük önem arz etmektedir.

1. Harmonik Nedir ?

Bir elektrik sistemindeki, doğrusal olmayan (non-lineer) yüklerin sebep olduğu, temel frekansın (Türkiye’de 50Hz) katları olan frekanslarda oluşan, sinüs dalga formunu bozan akım ve gerilimlerdir.

2. Doğrusal Olmayan (non-lineer) yükler nelerdir ?

Elektrik sistemlerinde rezistif, endüktif ve kapasitif öğelerin ve bunların oluşturduğu doğrusal devrelerin cevabı sinüs formatında olmaktadır. Oysa girişlerinde diyot, tristör gibi belli koşullar altında iletime geçen yarı iletkenlerin oluşturduğu doğrusal olmayan (non-lineer) devrelerin cevabı ise, farklı faz ve genlikte olan sinüs formlarının toplamında oluşan, orijinal şekli bozulmuş sinüs formatında olur.

Aşağıda doğrusal olmayan yüklerden bazıları belirtilmiştir :

• -Kesintisiz güç kaynakları
• -Yoğun bilgi işlem yükleri
• -AC/DC motor hızı kontrol cihazları (sürücüler)
• -Doğrultucular
• -Tristör kontrollü devreler
• -Ark ocakları
• -Kaynak Makinaları
• -Satürasyon (Doyma) bölgesinde çalışan transformatörler
• -Aşırı yükle çalıştırılan transformatörler

Harmonikler, güç sistemlerinin çalıştığı temel frekansın tam sayı katlarındaki voltaj veya akım dalga boylarıdır. Bu harmonikler, temel frekans veya hat frekansı (Avrupa’da 50 Hz, Kuzey Amerika’da  60 Hz) ile birleşerek; sinüs şeklinde olmayan veya bozulmuş dalga boyu oluşturur (aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi).

3. Sistemimizde harmonik olup olmadığını nasıl anlarız ?

Eğer elektrik sisteminde 2. madde de belirtilen yüklerden var ise, mutlaka harmonikler vardır. Harmonik tespitinin doğru yolu, uygun ölçüm cihazları, yetişmiş personel ve uygun şekilde ölçüm yapılarak harmoniklerin tespit edilmesidir.

Elektrik sisteminizde meydana gelen ve sebebi tam olarak belli olmayan bazı olumsuz olaylarda sisteminizde harmonik olduğunun habercisi olabilir.

Eğer;

• -Sıklıkla kompanzasyon kondansatörleriniz arızalanıyorsa
• -Güç şalterlerinizde nominal yüklerde çalışırken sebepsiz açmalar (rezonans) oluyorsa
• -Elektronik kart arızası sıklığı artıyorsa
• -Nominal yüklerde çalışırken trafonuzda ve kablolarda aşırı ısınma oluyorsa
• -Nötr akımlarınız normalden yüksek seviyede ise

4. Harmonikler ile yaşayabilir miyiz ?

Belli koşullar altında EVET!

Eğer bir sanayi tesisi iseniz toplam gerilim harmoniğiniz (THDv) %5 değerini aşmadığı sürece ve rezonans riskiniz düşük ise, eğer hastane, havaalanı veya üretim yapan bir tesis iseniz, toplam gerilim harmoniğiniz (THDv) %3 değerini aşmadığı sürece ve rezonans riskiniz düşük ise, kayıplarınıza katlanmak şartı ile harmonikleriniz ile yaşayabilirsiniz.

5. Benim cihazlarımda filtre vardı! Peki neden harmonik var ?

Sürücü ve benzeri cihazlarda genelde RFI (radyo frekansı girişimi, EMC) filtreleri, cihazdan yayılan yüksek frekanslı harmonikleri filtre etmez. Bazı sürücülerde DC barada veya cihaz girişindeki şok bobinler, harmonik akımlarını baskılarlar ancak «sıfır» a da indiremezler. Dolayısıyla harmonik filtreli cihazlar kullansanız dahi sisteminizde az da olsa bir miktar harmonik olacaktır.

6. Harmoniklerin zararları nelerdir ?

Harmoniklerin üç temel zararları vardır:

• -Harmonikler elektriksel kayıpların artmasına yol açarlar. Başka bir deyiş ile harmonikler, sistemde iş yapmayan ancak parasını, enerji bedeli olarak idareye ödediğimiz bir kambur yük oluşturur.
• -Sebebi bilinmeyen elektronik kart arızalarına sebep olurlar. Eğer bu kartlar tesisi bünyesinde tamir edebiliyorsa çoğu zaman sebep aranmadığı için harmoniğin farkına varılmaz. Eğer kartlar dışında, yüksek bedeller ile tamir ediliyor ise daha çabuk bir şekilde fark edilebilir.
• -Nominal (anma) gücünde veya altında çalışan şalterlerde, yükten bağımsız açmalar (rezonans) oluşabilir. Bu, özellikle sürekli proseslerde istenmeyen bir olaydır ve böyle bir açmadan oluşan duruş maliyeti çok yüksek olacaktır.

Harmonikler elektrik sistemlerindeki en sinsi bozuculardır. Eğer sistemde harmonik varlığını tespit edebilecek özel cihazlar ve yetişmiş personel yok ise, uzun yıllar harmonikler ile yaşayıp yüklü miktarlarda para kaybetmek olasıdır.

7. Akım harmoniği nedir ? Gerilim harmoniği nedir ?

Akım harmoniği; cihazların çektikleri sinüzoidal olmayan akımlar nedeniyle, cihaz girişimlerinden şebekeye ve diğer cihazlara doğru yayılan harmoniklerdir. Madde 2 ‘de belirtilen cihazlar birer akım harmoniği kaynağıdır.

Gerilim harmoniği; sistemin içinde bulundurduğu tüm omik, endüktif ve kapasitif elemanların sayesinde oluşan sistem empedansının, akım harmoniğine cevabıdır.

Konunun iyice anlaşılması için, önce harmonik üreten cihazlar nedeniyle akım harmoniği oluşur, gerilim harmoniği ise sistemin empedans değerine bağlı olarak, ohm kanunu çerçevesinde oluşur.

8. Jeneratör harmonik üretir mi ?

Hayır, jeneratör harmonik üretmez, ancak o ana kadar farkında olmadığınız harmoniklerin genliğini arttırarak problem çıkartır. Çözüm, ya jeneratörü doğrusal olmayan yüklerin, kW cinsinden toplamının en az 2.5 katı kadar seçmek, ya da harmonik kaynaklarının girişlerinde lokal harmonik filtre uygulamaktır.

9. Harmoniğin üstesinden nasıl gelebilirim ?

Filtre kullanarak, evet harmoniklerin üstesinden, sisteminize uygun seçilmiş filtreler ile gelebilirsiniz. Aşağıda harmonik bastırmak için hangi tür filtrelerin kullanılabileceği belirtilmiştir.

• -Cihaz üzerindeki pasif filtreler (Şok bobinleri, DC bara bobinleri v.s.)
• -Proje safhasında düşük harmonikli cihazlar seçerek (örn. LHD, Low Harmonic Drives)
• -Cihaz girişine bağlanan ve belli frekansları süzen gelişmiş filtre düzenekleri
• -Cihaz girişlerinde çok fazlı trafo ve doğrultucu sistemleri (12 pulse, 18 pulse)
• -Cihaz yada pano girişlerine bağlanan ve bozuk sinyale düzeltici sinyal enjekte edebilen aktif filtreler

Yukarıda sayılan tüm çözümler uygun koşullar altında harmonik probleminizin çözümü olabilir. Ancak daha önce de belirtildiği üzere öncelikle sağlıklı bir ölçüm ile düzgün bir etüdün yapılması gerekmektedir.

Diğer bir açıdan baktığımızda ise harmonik baskılama tekniklerinde hem çözümler (modifiye edilmiş kompanzasyon tesisleri vs.) hem de lokal (cihaz girişinde) çözümler iki ana çözüm gibi gözükebilir. Hangi çözümün uygun olduğu, ölçüm sonuçları ve sisteminizin gerçekleri tarafından belirlenecektir.

10. Harmonikleri ne kadar filtreleyebilirim ?

Tüm filtrasyon sistemlerinde olduğu gibi Harmonik Filtrelemede sıfır harmoniğe ulaşmak mümkün değildir. Ancak %3 ‘ler civarında THDv (Gerilim toplam harmonik distorsiyon) seviyelerine ulaşılabilinir. Buradaki asıl nokta işletmenizin ihtiyacı olan minimum harmonik seviyesine ulaşmak ve rezonans riskinin düşürülmesidir.

Ayrıca çok iyi filtrasyon sağlayan AFE (kontrollü doğrultucu), LHD (Düşük harmonik sürücü) ve Aktif Harmonik Filtre gibi çözümlerin maliyetlerinin düşük olmadığı göz önünde bulundurulmalıdır

11.Harmonik akımları düzeltmek

A- Gerilim dalga şekli bozulmasında düzelme

B- Trafo ve kablolardaki gerilim düşümünde azalma

C- Trafo ve kablolardaki ısıl kayıplarda azalma

D- Güç faktöründe iyileşme

E- Enerji verimliği

F- Kompanzasyon ve sisteme bağlı diğer yüklerde arızaların azalması gibi kazançlar sağlanmaktadır.

12.Dalga Boyu Hasarları    

Bozulan dalga boyu, motorunuzu beş şekilde etkiler.

Birincisi, harmonikler, motorunuzun verimini düşürür. Harmonikler, motorunuzun stator ve rotorundaki bakır ve demirin daha zor mıknatıslanmasına yol açar, bu yüzden, daha büyük eddy akım ve histerezis kayıpları oluşur.

İkincisi, tüm bu ekstra kayıplar, sıcaklık artışı olarak kendini gösterir. Sıcaklık, belki de motor için en zararlı hasarı meydana getirir. Sargı izolasyonunu tahrip eder, rulman gresinin yağlama fonksiyonunun kaybolmasına neden olur ve motorunuzun ömrünü kısaltır. Harmonik derecesine bağlı olarak; motorlarınızda termal koruma sistemlerinin devreye girerek trip etmesine neden olabilir.

Üçüncüsü, harmonikler, zararlı rulman akımlarının doğmasına neden olur. Rulman akımları; bilyalar ile yuvarlanma yuvaları arasında ark meydana getirir, bu da yüzeyleri bozarak, sürtünmenin artmasına ve sonucunda rulmanın bozulmasına neden olur. Ark oluşumu aynı zamanda yağın bozulmasını hızlandırır ve tüm bu etkilerin sonucunda rulman akımları, rulmanlarınızın kısa sürede bozulmasına yol açar.

Dördüncüsü, yüksek gerilim değişimleriyle (yüksek dV/dt) birlikte harmonikler, örneğin çentikleme ve rezonans gürültüsü, sargılarda kısmi-deşarj arklarına ve dolayısıyla sargı izolasyonunun hızlı bir şekilde deformasyonuna neden olur.

Beşincisi, yüksek harmonik miktarı güç faktörünüzün (power factor) düşmesine yol açar. Bunun sonucunda, motor verimi düşer, elektrik faturaları yükselir.

13.Güç Faktörü Nedir ?

Tüketici tarafından şebekeden çekilen güçler, reaktif güç, aktif güç ve görünür güç olmak üzere üç çeşittir. Güç faktörü, aktif gücün, görünür güce oranı olarak tanımlanır.

14.Sürücü Çalışma Fonksiyonu :

Toplam Harmonik Bozulması( Eğer sürücü içine herhangi bir filtre konulmamış sa) = %70-%12

Standart sürücüler [6 pulse, Choke (Line Reaktör) filtreli] %30-40 oranında harmonik bozulmasına yol açar.

1- İkinci Pasif filtre (Line Reaktör) sürücü girişine dışarıdan eklenerek bu oran %25-30 oranında düşürülür.

2- Aktif filtre, sistemdeki Trafo çıkışına (Kondansatöre seri bağlanarak) bu oran %5 ‘e kadar  düşürülebilir.

15.  Şebeke Voltajı ile Çalışan Elektrik Motorları

•   Elektrik indüksiyon motorları, 3 faz sinüs dalga gücünde çalışacak şekilde dizayn edilmiştir. 50 veya 60 Hz.
• Giriş gücü, frekans ve genlik bakımından dengelenmiştir. (Faz açısı 120 derecedir)
• Ortak mod voltajı – düzgün şekilde dengelendiğinde, 3 fazın toplamı her zaman sıfır volt ‘a eşittir.

      Not: Çok büyük motorlar hariç, rulman korumasına ihtiyaç duyulmaz.

 16. Değişken Frekans Sürücülerle (VFD, İnvertör) Çalışan Elektrik Motorları

• -Sürücü (VFD) kullanıldığında; motora verilen güç, pürüzsüz sinüs dalgası yerine pozitif ve negatif sinyaller (pulse) şeklindedir.
• -Giriş voltajı hiçbir zaman dengeli değildir, çünkü her üç fazda hızlı tetiklenen sinyaller arasında, voltaj ya 0 volt, pozitif veya negatiftir.
• -Ortak mod voltajı bir <kare dalga> veya <6 kademe> voltaj dalgası formundadır.

          Rulmanların içindeki elektrik deşarj erozyonunu azaltmak için rulman koruması gereklidir.

17.   Rulman akımları

17.1   Rulman Akımlarının Kaynağı

Rulman akımlarının üç kaynağı vardır, bunlardan birincisi, Kapasitif EDM Akımı( Elektriksel Deşarj

Erozyonu)

İkincisi, Yüksek Frekans Çevrim Akımı( Frekans Konvertörü , VFD, İnvertör,Sürücü )

Üçüncü tip; 50/60 Hz Çevrimsel Akım diye adlandırdığımız ve genel olarak bu frekansta çalışan çok büyük AC motorlardan kaynaklanan akımdır.

17.1.1  Kapasitif Elektriksel Deşarj Erozyonu Akımı ( EDM )

İnvertör tarafından üretilen Sinyal Genişlik Modülasyonun yol açtığı kapasitif indükleme voltajıdır. Bu voltaj, parazitik kapasitans ( yakın bileşenlerin enerji / yük toplama yeteneği ) sistemiyle motor miline geçer ve motor rulmanından veya bağlı ekipmanın rulmanından deşarj olarak erozyona sebep olur (EDM).

• -VFD ‘den motora verilen sinyaller, motor mili üzerinde, kapasitif olarak birleştirilmiş ortak mod voltajı meydana getirir.

Elektriksel rulman deşarj akımı oluşturur.

17.1.2   Yüksek Frekans Çevrim Akım / (VFD ‘den, Sürücüden)

Ortak mod akımlarının ürettiği yüksek frekans akısının (flux) yol açtığı yüksek frekanslı çevrimsel akımlar sistemde akabilirler. İnvertörden (VFD) kaynaklanan yüksek frekanslı indüktif çevrim akımları, kHz veya MHz mertebesindedir ve 75 kw (100 Hp) ‘den daha büyük güçlerde mevcuttur. Motor gücü ne kadar büyük olursa; yüksek frekanslı çevrim akımlarının etkisi o kadar büyük olur.

• -Rulmanlarda voltaj arkları ( Elektrik Atlaması ) oluşur.

• -Rulmanların içinde voltaj arkları meydana gelir ve elektriksel deşarj erozyonu, rulman yuvalarında binlerce oyuk meydana getirir.
• -Rulmanlar deforme olur ve artan sürtünme ve gürültü meydana gelir.
• -Sonunda, rulman bilyaları yuvalar üzerinde yivli ( fluting ) hasar meydana getirir.
• -Rulman gresi deforme olur, yanar, bozulur.
• -Plansız, yüksek maliyetli duruşlar meydana gelir.
• -Önerilen en iyi uygulama, motor arka rulmanını (NDE) izoleli kullanarak, yüksek frekanslı çevrim akımlarının çevrimini kesmektir.

17.1.3   50/60 Hz Çevrimsel Akım ( Şebeke Voltajından )

Büyük motorlardaki 50/60 Hz sinüs dalga voltajı, çok düşük frekanslı çevrimsel akımlara neden olabilir. Bunun nedeni de; motorun asimetrik dizaynı ve manyetik asimetrilerdir.