Harmonik nedir? Harmonik, bir dalganın ana frekansının tam katlarında titreşen ek bileşenlere verilen ad. Kelime müzikten gelir. Bir gitar teline vurulduğunda tek bir ses duyulmaz. Telin ana sesine onun iki, üç, dört katı frekanslarda daha zayıf sesler eşlik eder. Kulağın enstrümanın rengi diye algıladığı şey bu ek seslerin karışımı. Fizikte, müzikte ve elektrikte aynı fikir geçerli: karmaşık bir titreşim basit sinüs dalgalarının toplamı olarak yazılabilir.
Elektrikte harmonik nedir? Türkiye'deki şebeke saniyede 50 kez tekrarlanan düzgün bir sinüs dalgası taşır. Bu 50 Hz'lik ana bileşene temel frekans denir. Şebekeye bağlı bazı cihazlar akımı bu düzgün biçimde çekmez. Akımı kısa darbelerle ya da kesik kesik çeker. Bozulan dalga incelendiğinde içinde 150 Hz, 250 Hz ve 350 Hz gibi temel frekansın katlarında bileşenler görülür. Elektrikte harmonik, bu ek bileşenlerin adı.
Harmonik neden oluşur? Kaynak doğrusal olmayan yükler. Akkor ampul ya da su ısıtıcısındaki direnç gerilimle orantılı bir akım çeker. Bu yükler doğrusal sayılır. Telefon şarj cihazı, bilgisayar, LED sürücü, invertör ve motor hız sürücüsü ise akımı yalnız gerilimin tepe noktasına yakın anlarda çeker. Gerilim sinüs kalsa bile akım sivri darbelere dönüşür. Bu darbelerin içindeki harmonikler önce akımı, kaynak zayıfsa ardından gerilimi bozar.
Harmonik Dalga Nedir?
Harmonik dalga nedir? Temel dalganın tam katı frekansta salınan sinüs biçimli bileşen. Bu dalgalar tek başına bir kabloda dolaşmaz. Temel dalgayla üst üste binerek bozuk bir toplam dalga oluşturur. Fransız matematikçi Joseph Fourier tekrar eden her dalganın sinüs dalgalarının toplamına ayrılabileceğini gösterdi. Kare dalga buna açık bir örnek. Kare dalganın içinde yalnız tek sıralı harmonikler bulunur. Üçüncü harmoniğin genliği temel dalganın üçte biri, beşinci harmoniğinki beşte biri kadar.
Harmonik hareket nedir? Fizikte aynı kelime farklı ama akraba bir kavramı anlatır. Basit harmonik hareket nedir? Bir cismi denge noktasına geri çeken kuvvetin cismin uzaklığıyla orantılı olduğu salınım. Yaya bağlı bir kütle buna örnek. OpenStax fizik kitabı bu kuvveti F = −kx ile gösterir. Cismin konumu zamanla x(t) = A cos(ωt + φ) biçiminde değişir. Yani konumun grafiği saf bir sinüs dalgası. Harmonik titreşim nedir? Bu düzenli salınımın gündelik adı. Saat sarkacı, diyapazon ve gerili tel harmonik titreşime yakın davranır.
Genlik nedir basit harmonik harekette? Cismin denge noktasından uzaklaşabildiği en büyük mesafe. Formüldeki A harfi bunu gösterir. Basit harmonik hareket genlik nelere bağlı? Genlik harekete başlarken verilen enerjiye yani ilk uzaklık ve ilk hıza bağlı. Periyot ise genlikten bağımsız. Basit harmonik hareket w nedir? Formüldeki ω (omega) açısal frekansı gösterir. Değeri 2πf ile bulunur ve yay sisteminde √(k/m) ifadesine eşit. Sönümlü harmonik hareket nedir? Sürtünme ya da hava direnci yüzünden genliği her salınımda azalan hareket. Harmonik yaklaşım nedir? Küçük salınımları basit harmonik hareket gibi ele alan kabul. Sarkaç küçük açılarda bu yaklaşımla hesaplanır.
Harmonik Frekans Nedir?
Harmonik frekans nedir? Temel frekansın tam sayı katı olan frekans. Hesap basit: harmonik sırası temel frekansla çarpılır. Türkiye'de ve Avrupa'da şebeke 50 Hz olduğu için ikinci harmonik 100 Hz, üçüncü harmonik 150 Hz, beşinci harmonik 250 Hz, yedinci harmonik 350 Hz eder. ABD gibi 60 Hz kullanan ülkelerde aynı sıralar 180, 300 ve 420 Hz'e denk düşer.
Harmonik seri nedir? Matematikte bir artı yarım artı üçte bir diye sonsuza kadar süren toplamın adı. Bu toplam sınırsız büyür. Nicole Oresme bunu 1350 civarında kanıtladı. Serinin adı da müzikten gelir. Titreşen bir telin üst seslerinde dalga boyu temel dalga boyunun yarısına, üçte birine, dörtte birine iner. Elektrikteki harmonik sıralaması aynı mantığı izler.
Harmonik sırası arttıkça genlik çoğunlukla düşer. Bu nedenle güç sistemlerinde ilk birkaç tek sıralı harmonik öne çıkar. Ölçüm standartları ise 40'ıncı ya da 50'nci harmoniğe kadar olan bileşenleri hesaba katar.
Harmonik Çeşitleri Nelerdir?
Harmonikler önce sıra numarasına göre ayrılır. Üçüncü, beşinci ve yedinci gibi tek sıralı harmonikler şebekede sık görülür. Çift sıralı harmonikler dalganın artı ve eksi yarıları birbirinden farklı olduğunda ortaya çıkar. Simetrik çalışan cihazlarda bunlar çok küçük kalır. Ara harmonikler temel frekansın tam katı olmayan bileşenler. Daha çok kaynak makineleri ve ark ocakları gibi düzensiz yüklerde görülür.
Üç fazlı sistemlerde ikinci bir ayrım faz sırasına göre yapılır. Tony Kuphaldt'ın Lessons in Electric Circuits kitabına göre birinci, yedinci ve 13'üncü harmonik pozitif sıralı. Bunlar motoru normal dönüş yönünde iter. Beşinci ve 11'inci harmonik negatif sıralı. Motorda dönüşe ters yönde bir alan kurar, frenleme etkisi ve ısınma yaratır. Üçüncü, dokuzuncu ve 15'inci harmonik sıfır sıralı. Bu gruba üçün katları anlamında triplen harmonikler denir.
Sıfır sıralı harmonikler üç fazda aynı anda tepe yapar. Birbirini götürmez, nötr iletkeninde toplanır. Negatif sıralılar ise dönen makinelerde sorun çıkarır. Bir harmoniğin hangi cihaza zarar vereceğini bu sınıflama belirler.
1. Harmonik Nedir?
Birinci harmonik temel bileşenin kendisi. Türkiye şebekesinde 50 Hz frekanslı ana sinüs dalgası birinci harmonik sayılır. Enerjinin neredeyse tamamını bu bileşen taşır. Lambayı yakan, motoru döndüren ve faturaya yansıyan gücün kaynağı bu dalga.
Diğer bütün harmonikler birinci harmoniğe oranlanır. Ölçüm cihazında beşinci harmonik yüzde 20 diye görünüyorsa bu değer birinci harmoniğin beşte biri anlamına gelir. Toplam harmonik bozulma da aynı referans üzerinden hesaplanır.
3. Harmonik Nedir?
Üçüncü harmonik 50 Hz şebekede 150 Hz frekanslı bileşen. Tek fazlı elektronik yükler bu harmoniği bol üretir. Bilgisayar, televizyon, LED aydınlatma ve şarj cihazı gibi anahtarlamalı güç kaynakları akımı tepe noktasında kısa darbelerle çeker. Bu darbe biçimi güçlü bir üçüncü harmonik içerir.
Üçüncü harmoniğin asıl sorunu nötr hattında ortaya çıkar. Dengeli üç fazlı bir sistemde 50 Hz akımlar nötrde birbirini sıfırlar. Üçüncü harmonik akımları ise üç fazda aynı yönde olduğu için nötrde toplanır. Power Monitors'ın teknik notuna göre bu toplam nötr akımını faz akımının 1,73 katına kadar çıkarabilir. Faz iletkeniyle aynı kesitte seçilen bir nötr böyle bir durumda aşırı ısınır.
Üçgen bağlı trafo sargılarında üçüncü harmonik dışarı çıkamaz, sargı içinde dolaşır. Bu dolaşım trafoyu ısıtır ve kullanılabilir gücünü düşürür. Sahadan gelen bir hatırlatma da var. Mike Holt forumunda ofis binalarında ölçüm yapan elektrikçiler nötr akımının faz akımını aşmasının nadir görüldüğünü anlatır. Ortak görüş önlemden önce ölçüm yapmak yönünde.
5. Harmonik Nedir?
Beşinci harmonik 50 Hz şebekede 250 Hz frekanslı bileşen. Üç fazlı sanayi yüklerinde genellikle baskın harmonik bu. Altı darbeli doğrultucu kullanan motor hız sürücüleri, kesintisiz güç kaynakları ve büyük şarj üniteleri bu harmoniği yoğun üretir.
Beşinci harmonik negatif sıralı. Motor sargısında ters yönde dönen bir manyetik alan kurar. Sonuç ek ısınma ve tork dalgalanması. ABB'nin harmonik kılavuzunda bobinsiz altı darbeli bir sürücüde beşinci harmonik akımı temel akımın yüzde 63'üne ulaşır. Giriş şok bobini bu oranı yüzde 30 dolayına indirir.
Kompanzasyon panolarında da beşinci harmonik ilk akla gelen risk. Kondansatör bataryası ile şebeke endüktansı birlikte 250 Hz civarında rezonansa girerse akım katlanarak büyür. Kondansatörler aşırı ısınır, sigortalar atar. Filtre reaktörlü kompanzasyonun ayar frekansı bu sebeple beşinci harmoniğin altında seçilir.
7. Harmonik Nedir?
Yedinci harmonik 50 Hz şebekede 350 Hz frekanslı bileşen. Altı darbeli doğrultucular onu beşinci harmonikle birlikte üretir. Bu çiftin kaynağı ortak: doğrultucunun her periyotta altı kez anahtarlaması. Altı darbeli sistemlerde baskın harmonikler 6k±1 kuralına uyar. Böylece beş ile yedi, 11 ile 13 çiftleri oluşur.
Yedinci harmonik pozitif sıralı. Motoru dönüş yönünde iter ama sargılarda ve demir çekirdekte ek kayıp yaratır. ABB verilerine göre bobinsiz altı darbeli sürücüde yedinci harmonik akımı temel akımın yüzde 54'ü kadar. Şok bobini bu değeri yüzde 12 dolayına düşürür. Doğrultucu 12 darbeli yapıldığında beşinci ve yedinci harmonik büyük ölçüde birbirini iptal eder.
Harmonik Akım Nedir?
Harmonik akım, doğrusal olmayan bir yükün çektiği akımın temel frekans dışındaki bileşenleri. Bir şarj cihazı prizden akımı sinüs biçiminde değil, gerilimin tepesinde sivri bir darbe hâlinde çeker. Bu darbe analiz edildiğinde içinde üçüncü, beşinci ve yedinci harmonik akımları çıkar.
Harmonik akımlar faydalı iş yapmaz ama kablodan geçer. Kabloyu, sigortayı ve trafoyu ısıtır. Yükün kullandığı güç değişmediği hâlde iletkenlerden geçen etkin akım büyür. Harmonikli tesislerde akım ölçümünün yanıltıcı olabilmesinin nedeni de bu.
Harmonik akımın büyüklüğü cihazın giriş katına bağlı. ABB'nin teknik kılavuzuna göre altı darbeli bir sürücüde bobin yoksa toplam akım bozulması yüzde 100'ü aşabilir. Büyük bir şok bobini bu değeri yüzde 40 dolayına çeker. Doğrultucu 12 darbeli olduğunda değer yüzde altı ile 10 arasına, IGBT girişli düşük harmonikli sürücüde yüzde beşin altına iner.
Harmonik Gerilim Nedir?
Harmonik gerilim, harmonik akımların şebeke empedansı üzerinde oluşturduğu gerilim bozulması. Akım bozuk olsa bile kaynak güçlüyse gerilim neredeyse sinüs kalır. Kaynak zayıfladıkça aynı akım gerilimi de bozar. Sonuçta aynı hatta bağlı başka cihazlar da bozuk gerilimle beslenir.
ABB'nin kılavuzu bu farkı sayılarla gösterir. Altı darbeli bir sürücü, kısa devre gücü yükün 20 katı olan bir şebekede yüzde 10 gerilim bozulması yaratır. Kısa devre gücü yükün 100 katına çıktığında aynı sürücünün etkisi yüzde ikiye iner. Harmonik gerilim yalnız cihaza değil, onu besleyen kaynağın gücüne de bağlı.
Bu durum karavan ve bağ evi gibi şebekeden bağımsız sistemlerde önem kazanır. Küçük bir jeneratör ya da invertör şehir şebekesine göre çok daha zayıf bir kaynak. Aynı elektronik yükler burada gerilimi daha kolay bozar.
Harmonik Bozulma Nedir?
Harmonik bozulma nedir? Bir dalganın ideal sinüs biçiminden uzaklaşma miktarı. Harmonik distorsiyon nedir? Aynı kavramın İngilizceden geçen adı. Distorsiyon bozulma anlamına gelir. Dalga ne kadar sivri, basamaklı ya da kesik görünüyorsa bozulma o kadar büyük.
Toplam harmonik distorsiyonu THD nedir? Bütün harmoniklerin etkin değerlerinin karelerinin toplamının karekökü temel bileşene bölündüğünde çıkan oran. Harmonik hesabı şu formülle yapılır: THD = √(V2² + V3² + V4² + …) / V1. Sonuç yüzde olarak yazılır. Örneğin temel gerilimin yüzde dördü kadar beşinci ve yüzde üçü kadar yedinci harmonik varsa THD yüzde beş çıkar. Akım için THDi, gerilim için THDu kısaltması yaygın.
Bir invertörün çıkış kalitesi de bu değerle anlatılır.
Harmonik Etkileri Nelerdir?
Harmoniklerin ilk etkisi ısınma. ABB kılavuzu trafoların, kabloların, motorların, jeneratörlerin ve kondansatörlerin aşırı ısınmasını başlıca sonuçlar arasında sayar. Yüksek frekanslı akım iletkenin dış yüzeyinde toplanır, demir çekirdekte girdap akımı kaybını artırır. Cihaz etiket akımının altında çalışsa bile beklenenden sıcak kalabilir.
Harmoniklerin şebekeye zararları ayrı bir liste oluşturur. Kondansatör bataryaları rezonansa girip hasar görebilir. Kesiciler sebepsiz yere açabilir. Elektronik sayaçlar hatalı kayıt tutabilir. Gerilim bozulması aynı hattaki hassas cihazlarda arızaya ve ışık titremesine yol açar. Electrical Engineering Portal'ın saha listesinde nötr bağlantılarının ısınması, panolarda uğultu ve telefon hatlarında parazit de yer alır.
Etkiler her tesiste aynı büyüklükte görülmez. Mike Holt forumunda bir elektrikçi harmonik yükü yoğun bir trafonun yüzde 30 yükte bile ısındığını anlatır. Aynı başlıktaki başka katılımcılar K tipi trafoların gereğinden sık önerildiğini savunur. İki görüşü buluşturan nokta ölçüm. Sorun ancak ölçümle görünür hâle gelir.
Harmonik Analiz Nedir?
Harmonik analiz nedir? Bozuk bir dalgayı temel bileşenine ve harmoniklerine ayırma işi. Ölçüm cihazları bunu hızlı Fourier dönüşümüyle yapar. Sonuç bir sütun grafiği hâlinde görünür. Her sütun bir harmonik sırasını, sütunun boyu da o harmoniğin büyüklüğünü gösterir.
Güç kalitesi nedir? Şebekenin cihazlara düzgün sinüs biçimli, kararlı gerilim ve frekans sunabilme derecesi. Harmonikler bu kalitenin bir parçası. Gerilim çökmeleri, ani yükselmeler, kesintiler, faz dengesizliği ve titreme de aynı başlıkta incelenir. Enerji kalitesi ve harmonikler konusu bu yüzden genellikle birlikte ele alınır.
Analizin ölçütü standartlar. IEEE 519-2022 bin volt ve altındaki şebekelerde ortak bağlantı noktasında tek bir harmoniği yüzde beş, toplam gerilim bozulmasını yüzde sekiz ile sınırlar. Avrupa'da EN 50160 alçak gerilimde THD için yüzde sekiz sınırı koyar. Aynı standart beşinci harmoniğe yüzde altı, üçüncü ve yedinci harmoniğe yüzde beş tavan belirler.
Harmonik Ölçümü Nasıl Yapılır?
Harmonik ölçüm nedir? Harmonik değerlerin sahada bir cihazla kaydedilmesi. Basit bir kontrol pens ampermetreyle başlar. Fluke'un saha notuna göre ucuz, ortalama değere duyarlı ölçü aletleri yalnız saf sinüste doğru okur. Bozuk akımda gerçek değerden yüzde 50'ye kadar düşük okuyabilir. Harmonikli devrelerde gerçek etkin değer yani true RMS ölçen bir cihaz gerekir.
Harmonik ölçümü için asıl araç güç kalitesi analizörü. Cihaz üç fazın gerilim ve akımını aynı anda kaydeder, her harmoniği ayrı ayrı gösterir. Ölçüm yöntemi IEC 61000-4-7 standardında tanımlı. Bu yönteme göre 50 Hz şebekede 10 periyotluk yani yaklaşık 200 milisaniyelik pencereler kullanılır ve harmonikler en az 50'nci sıraya kadar hesaplanır. IEC 61000-4-30 A sınıfı cihazlar farklı marka cihazlar arasında karşılaştırılabilir sonuç verir.
Ölçüm noktası ve süre sonucu doğrudan etkiler. EN 50160 değerlendirmesi bir hafta boyunca 10 dakikalık ortalamalarla yapılır. Fluke'un önerdiği saha sırası yük envanteriyle başlar. Ardından trafo sıcaklığı, trafo çıkış akımı, tali panolardaki nötr akımı ve prizlerdeki nötr-toprak gerilimi kontrol edilir. Kısa bir anlık ölçüm gün içinde değişen yükleri kaçırabilir.
Harmonik Nasıl Önlenir?
Harmoniği önlemenin ilk yolu onu kaynağında azaltmak. Motor hız sürücülerine giriş ya da DC bara şok bobini eklemek ucuz ve etkili bir adım. Sürücü girişinde 12 ya da 18 darbeli doğrultucu kullanıldığında baskın harmonikler birbirini iptal eder. IGBT girişli aktif ön uçlu sürücüler akımı neredeyse sinüs biçiminde çeker.
Tesis düzeyinde ikinci yol yük dağılımı. Tek fazlı elektronik yükler fazlara dengeli dağıtılır. Nötr iletkeni gerektiğinde faz iletkeninden kalın seçilir. Bazı tesislerde K tipi trafolar ya da faz kaydırmalı trafolar devreye girer. Bunlar yetmediğinde sıra filtreye gelir.
Karavan ve bağ evi gibi küçük sistemlerde yaklaşım daha basit. Tam sinüs çıkışlı bir invertör şebeke benzeri temiz gerilim üretir. Güneş enerjisi invertörlerinde akım bozulması IEEE 1547'ye göre yüzde beşin altında tutulmak zorunda. Avrupa'daki VDE-AR-N 4105 gibi kurallar daha sıkı değerler ister. Bu cihazlar anahtarlama harmoniklerini çıkıştaki LC filtrelerle bastırır.
Harmonik Filtre Nedir?
Harmonik filtre nedir? Harmonik akımları şebekeye ulaşmadan tutan ya da yok eden devre. Pasif ve aktif olmak üzere iki ana grup bulunur. Pasif filtre bobin ve kondansatörden oluşur. Belirli bir frekansa ayarlanır ve o frekanstaki akıma düşük empedanslı bir yol açar. Bobin ya da kondansatör büyüdükçe ayar frekansı düşer.
Harmonik reaktör nedir? Kompanzasyon kondansatörüne seri bağlanan özel bobin. Harmonik filtreli kompanzasyon nedir? Reaktif güç kompanzasyonunu bu reaktörlü kondansatör gruplarıyla yapan sistem. Sık kullanılan seçimin yüzde yedi oranlı reaktör olduğu iddia edilir. Bu oran grubu 189 Hz'e ayarlar. Böylece grup 250 Hz'deki beşinci harmonikle rezonansa girmez. Üçüncü harmoniğin yoğun olduğu tesislerde yüzde 14 oranlı, 134 Hz ayarlı reaktör tercih edilir.
Aktif harmonik filtre nedir? Yük akımını sürekli ölçen ve içindeki harmonikleri ters yönlü bir akım üreterek sıfırlayan güç elektroniği cihazı. Aktif filtre yük değiştikçe kendini ayarlar ve birden çok harmoniği aynı anda karşılar. Pasif filtrenin rezonans riskini taşımaz. Bedeli ise pasif filtreye göre yüksek.
Harmonik Filtre Ne İşe Yarar?
Harmonik filtre ne işe yarar? Tesisin ürettiği harmonik akımların şebekeye taşınmasını önler. ABB kılavuzunda pasif filtre altı darbeli bir sürücünün akım bozulmasını yüzde 10'un altına, aktif filtre yüzde beşin altına indirir. Böylece kablolar, trafolar ve motorlar daha serin çalışır. Kesicilerin sebepsiz açması ve sigortaların atması azalır.
Harmonik filtre reaktörü ne işe yarar? Kompanzasyon panosunda kondansatörleri korur. ENTES'in kompanzasyon kılavuzuna göre filtre reaktörü rezonans kaynaklı aşırı yüklenmeyi engeller, kondansatörlerle birlikte hassas cihazları da korur. Aynı kılavuz Türkiye'de 30 kW ve üzeri tesisler için endüktif reaktif enerjide yüzde 20, kapasitif reaktif enerjide yüzde 15 sınırı verir. Sınır aşıldığında reaktif enerji bedeli faturaya yansır. Harmonikli bir tesiste reaktörsüz kondansatör bu sınırı tutmayı zorlaştırır ve kondansatör ömrünü kısaltır.
Ev ölçeğinde ayrı bir harmonik filtreye nadiren gerek duyulur. Karavan ya da bağ evinde tam sinüs çıkışlı invertör, dengeli dağıtılmış yükler ve doğru kesitli kablo çoğu sorunu baştan çözer. Sanayi tesislerinde ise filtre kararı ölçüm sonucuna dayanır. Filtrenin tipi ve gücü ölçülen harmonik spektrumuna göre belirlenir.
