Doğrusal olmayan yükler tarafından oluşturulan harmonik bileşenler belirli seviyelere ulaştığında transformatörler, motorlar, kablolar, kondansatörler ve hassas elektronik ekipmanlar üzerinde temel frekanstaki çalışma koşullarından farklı elektriksel etkiler oluşabilmektedir. Harmonik problemlerinin kontrol altına alınabilmesi için yalnızca bozulmanın varlığının tespit edilmesi değil, harmoniklerin hangi yüklerden kaynaklandığının ve sistem içerisinde nasıl yayıldığının da belirlenmesi gerekmektedir.
Uygulanacak harmonik filtre sistemi tesisin ölçülen elektriksel özelliklerine göre belirlenmelidir. Harmonik spektrumu, baskın harmonik mertebeleri, akım ve gerilim harmonik bozulma seviyeleri, yük değişkenliği, sistem empedansı ve mevcut elektrik altyapısı birlikte değerlendirilmeden gerçekleştirilen filtre seçimleri istenen performansı sağlamayabilir. Belirli harmonik frekanslarının baskın olduğu sistemlerde pasif filtreleme çözümleri değerlendirilebilirken harmonik profilinin yük durumuna bağlı olarak sürekli değiştiği uygulamalarda aktif filtre teknolojilerinden yararlanılabilir. Bu nedenle harmoniklerin kontrolü; ölçüm, analiz, filtre teknolojisinin belirlenmesi, kapasite seçimi ve sisteme entegrasyon aşamalarının birbirini tamamladığı bir mühendislik süreci olarak değerlendirilmelidir.
Harmonikler Elektrik Sistemlerinde Hangi Yüklerden Kaynaklanır?
Elektrik sistemlerinde harmonik oluşumunun temel nedenlerinden biri, doğrusal olmayan yüklerin şebekeden sinüzoidal olmayan akım çekmesidir. Doğrusal yüklerde uygulanan gerilim ile çekilen akım arasında yük karakteristiğine bağlı düzenli bir ilişki bulunurken güç elektroniği elemanlarının kullanıldığı sistemlerde anahtarlama ve doğrultma işlemleri akım dalga şeklini değiştirebilmektedir. Bunun sonucunda temel şebeke frekansının katlarında farklı frekans bileşenleri meydana gelmektedir. Oluşan harmoniklerin mertebesi ve büyüklüğü kullanılan ekipmanın devre yapısına, yüklenme seviyesine ve elektrik sisteminin özelliklerine göre değişebilmektedir.
Frekans konvertörleri, doğrultucular, UPS sistemleri, anahtarlamalı güç kaynakları, kaynak makineleri ve farklı güç elektroniği tabanlı ekipmanlar harmonik oluşturabilen yükler arasında değerlendirilmektedir. Aynı dağıtım sistemi üzerinde çok sayıda doğrusal olmayan yükün çalışması durumunda bu yüklerden kaynaklanan harmonik akımlar ortak bağlantı noktalarında birleşebilmektedir. Ancak harmonik seviyesinin değerlendirilmesinde yalnızca cihaz sayısı veya toplam kurulu güç dikkate alınmamalıdır. Yüklerin çalışma oranları, eş zamanlı devreye girme durumları, şebekenin kısa devre gücü ve sistem empedansı da incelenmelidir. Böylece harmoniklerin hangi yük veya yük gruplarında yoğunlaştığı belirlenerek filtrelemenin hangi noktada uygulanmasının uygun olacağı değerlendirilebilmektedir.
Harmonik Bozulmalar Elektrik Ekipmanlarını ve Enerji Kalitesini Nasıl Etkiler?
Harmonik akımların elektrik sistemi içerisinde dolaşması, temel frekanstaki akıma ilave bileşenlerin eklenmesine neden olabilmektedir. Bu durum iletkenlerden ve ekipman sargılarından geçen toplam RMS akımının yükselmesine, buna bağlı olarak elektriksel kayıpların ve termal zorlanmaların artmasına yol açabilmektedir. Transformatörlerde ilave kayıplar, motorlarda ek ısınma ve kablolarda taşıma koşullarının değişmesi harmonik bozulmalarla birlikte değerlendirilmesi gereken etkiler arasındadır. Bu nedenle ekipmanların yalnızca temel frekanstaki nominal akım ve gerilim değerleri üzerinden değerlendirilmesi, harmonik bulunan bir tesisin gerçek çalışma koşullarını ortaya koymak açısından yeterli olmayabilmektedir.
Harmoniklerin enerji kalitesi üzerindeki etkisi gerilim dalga şekline de yansıyabilmektedir. Harmonik akımlar sistem empedansı üzerinden geçtiğinde harmonik gerilimlerin oluşmasına ve aynı bara üzerinden beslenen diğer ekipmanların da bozulmuş bir gerilim dalga şekline maruz kalmasına neden olabilmektedir. Özellikle kondansatör bulunan sistemlerde frekansın yükselmesiyle kapasitif reaktansın azalması, belirli harmonik akımların kondansatör devrelerinde yoğunlaşmasına yol açabilmektedir. Şebekenin endüktif yapısı ile kapasitif elemanlar arasında oluşabilecek rezonans koşulları ise belirli harmonik bileşenlerin büyümesine neden olabilmektedir. Bu nedenle enerji kalitesi değerlendirilirken harmoniklerin yalnızca kaynağı değil, sistem içerisindeki yayılımı ve farklı elektrik ekipmanlarıyla oluşturduğu etkileşim de incelenmelidir.
Harmonik Analizi ile Sistem Üzerindeki Bozulmalar Nasıl Belirlenir?
Harmoniklerin kontrol altına alınabilmesi için sistemdeki bozulmanın ölçüm verileri üzerinden tanımlanması gerekmektedir. Harmonik analizinde akım ve gerilim dalga şekilleri incelenerek temel frekansın katlarında bulunan bileşenlerin seviyeleri belirlenmektedir. Toplam akım harmonik bozulması THDi, toplam gerilim harmonik bozulması ise THDv değerleri üzerinden değerlendirilebilmektedir. Bununla birlikte yalnızca toplam harmonik bozulma oranının dikkate alınması yeterli değildir. Harmonik spektrumu içerisinde hangi mertebelerin baskın olduğu, bu harmoniklerin genlikleri ve farklı çalışma koşullarında nasıl değiştikleri ayrı ayrı incelenmelidir. Aynı toplam harmonik bozulma değerine sahip iki sistemde farklı harmonik spektrumlarının bulunabilmesi, kullanılacak filtreleme teknolojisinin de farklılaşmasına neden olabilmektedir.
Ölçüm noktaları, filtre sisteminin konumlandırılmasına ilişkin teknik kararları etkileyebildiğinden harmonik analizi sırasında doğru şekilde belirlenmelidir. Ana dağıtım barasında gerçekleştirilen ölçümler tesisin genel harmonik profilinin görülmesini sağlarken belirli sürücü, makine veya üretim hatlarında yapılan ölçümler harmonik kaynağının daha ayrıntılı biçimde tanımlanmasına yardımcı olmaktadır. Ölçümlerin yalnızca tek bir yük durumunda gerçekleştirilmesi yerine farklı işletme koşullarını kapsaması da önem taşımaktadır. Elde edilen harmonik akım değerleri, baskın harmonik mertebeleri ve yük değişkenliği birlikte değerlendirildiğinde aktif harmonik filtre veya pasif harmonik filtre teknolojilerinden hangisinin sistemin çalışma karakteristiğine daha uygun olduğu belirlenebilmektedir.
Aktif ve Pasif Harmonik Filtre Sistemleri Nasıl Çalışır?
Pasif harmonik filtre sistemlerinde reaktör ve kondansatör gibi pasif devre elemanlarının frekansa bağlı empedans özelliklerinden yararlanılmaktadır. Reaktör ve kondansatör değerleri belirli harmonik frekansları dikkate alınarak seçilmekte ve filtre devresinin hedeflenen frekans bölgesinde uygun elektriksel karakteristik göstermesi sağlanmaktadır. Bu nedenle pasif filtre tasarımında yalnızca filtre gücünün belirlenmesi yeterli olmamakta; baskın harmonik mertebeleri, sistem empedansı, şebekenin kısa devre gücü, mevcut kondansatörler ve olası rezonans noktaları birlikte değerlendirilmelidir. Harmonik yapısının daha öngörülebilir olduğu uygulamalarda pasif filtreleme kullanılabilmekte, ancak devrenin ayarlandığı frekans ile sistemin gerçek harmonik karakteristiğinin uyumu teknik hesaplarla doğrulanmalıdır.
Aktif harmonik filtre sistemlerinde ise yük tarafından oluşturulan harmonik akımlar ölçülmekte ve bu bileşenlerin etkisini azaltacak karşı akımlar güç elektroniği tabanlı bir yapı üzerinden sisteme uygulanmaktadır. Yükün çalışma koşulları değiştiğinde ölçülen harmonik akımlar da değiştiği için aktif filtrenin sağladığı kompanzasyon dinamik biçimde uyarlanabilmektedir. Bu özellik, farklı üretim hatlarının devreye girip çıktığı veya sürücü yüklerinin sürekli değiştiği sistemlerde aktif filtre teknolojisinin değerlendirilmesini mümkün kılmaktadır. Pasif yapılarda reaktör kullanımı belirlenen frekans karakteristiğinin oluşturulmasının bir parçasıyken aktif yapılarda gerekli filtre akım kapasitesi ölçülen harmonik akımlara göre belirlenmelidir. Bu nedenle iki teknoloji arasındaki seçim yalnızca nominal güç karşılaştırmasına dayandırılmamalı; harmonik spektrumu, yük değişkenliği ve sistemin çalışma karakteristiği birlikte incelenmelidir.
Kompanzasyon Sistemlerinde Harmonik Filtreleme Neden Önemlidir?
Harmonik bulunan elektrik sistemlerinde reaktif güç kompanzasyonu ile harmonik filtreleme birbirinden bağımsız iki tasarım konusu olarak değerlendirilmemelidir. Kondansatörlerin kapasitif reaktansı frekans yükseldikçe azaldığından harmonik frekanslarda temel frekanstan farklı bir elektriksel davranış ortaya çıkmaktadır. Bunun yanında kondansatör kapasitesi ile şebekenin endüktif karakteri belirli frekanslarda rezonans koşulları oluşturabilmektedir. Rezonans frekansının sistemde bulunan baskın harmoniklerden biriyle örtüşmesi durumunda ilgili harmonik bileşenin büyümesi mümkün olabilmektedir. Bu nedenle kondansatör kademelerinin belirlenmesi sırasında yalnızca ihtiyaç duyulan reaktif güç miktarı değil, tesisin harmonik spektrumu ve şebeke özellikleri de dikkate alınmalıdır.
Bir kompanzasyon sistemi içerisinde uygulanacak harmonik kontrol yaklaşımı belirlenirken reaktif güç ihtiyacı, kondansatör kademeleri, baskın harmonik mertebeleri ve şebeke empedansı birlikte değerlendirilmelidir. Pasif filtre veya reaktörlü yapıların kullanılacağı sistemlerde reaktör-kondansatör eşleşmesi ile ortaya çıkacak rezonans frekansı hesaplanmalı, seçilen yapı tesisin harmonik spektrumuyla karşılaştırılmalıdır. Harmonik profilinin yük değişimine bağlı olarak önemli ölçüde farklılaştığı uygulamalarda ise aktif filtreleme çözümlerinin teknik uygunluğu incelenmelidir. Böylece filtreleme yalnızca mevcut harmonik seviyesini azaltmaya yönelik bir uygulama olmaktan çıkarılarak kompanzasyon ekipmanları ile elektrik şebekesi arasındaki frekansa bağlı etkileşimin kontrol edilmesine yönelik sistem tasarımının bir parçası hâline getirilebilmektedir.
Harmonik Filtre Sistemi Seçiminde Hangi Teknik Kriterler Değerlendirilmelidir?
Harmonik filtre sisteminin seçiminden önce tesisin elektriksel çalışma koşulları ölçüm ve analiz sonuçları üzerinden değerlendirilmelidir. THDi ve THDv değerlerinin yanında harmonik spektrumu, baskın harmonik mertebeleri, her bir harmonik bileşenin akım seviyesi, sistem gerilimi, yük akımı, kısa devre gücü ve şebeke empedansı incelenmelidir. Yük profilinin sabit veya değişken olması da kullanılacak filtre teknolojisinin belirlenmesinde dikkate alınmalıdır. Pasif filtreleme uygulanacak sistemlerde hedeflenen harmonik frekansı, reaktör ve kondansatör değerleri ile olası rezonans noktaları hesaplanmalıdır. Aktif filtreleme uygulanacak sistemlerde ise kompanze edilmesi gereken harmonik akım kapasitesi, yük değişim aralığı ve filtrenin değişken harmonik profile cevap verebilme kapasitesi değerlendirilmelidir.
Filtrenin elektrik sistemi içerisindeki bağlantı noktası ve mevcut kompanzasyon altyapısıyla uyumu seçim sürecine dahil edilmelidir. Belirli bir harmonik kaynağına yakın gerçekleştirilen lokal filtreleme ile ana dağıtım barasında uygulanan merkezi filtrelemenin sistem üzerindeki etkileri farklı olabileceğinden filtre kapasitesi ilgili bağlantı noktasındaki ölçüm sonuçlarına göre belirlenmelidir. Devreye alma sonrasında gerçekleştirilecek ölçümlerle THDi, THDv ve baskın harmonik bileşenlerdeki değişim kontrol edilmeli, hedeflenen filtreleme seviyesine ulaşılıp ulaşılmadığı doğrulanmalıdır. Teknik değerlendirme sırasında sistem gerilimi, filtreleme kapasitesi, bağlantı koşulları, yük karakteristiği ve mevcut elektrik altyapısıyla uyum dikkate alınmalıdır. Bu kapsamda Elektra Elektronik tarafından yayımlanan teknik dokümantasyon da sistem için belirlenen mühendislik gereksinimleri doğrultusunda incelenebilir.
