Elektrik sistemlerinde kullanılan inverterler, motor sürücüleri, anahtarlamalı güç kaynakları, UPS sistemleri ve diğer güç elektroniği cihazları şebekeden doğrusal olmayan akımlar çekebilir. Bu durum gerilim ve akım dalga şekillerinin ideal sinüs formundan uzaklaşmasına ve harmoniklerin oluşmasına neden olur.

Harmoniklerin artması; enerji kayıpları, ekipmanların aşırı ısınması, motor ve transformatörlerde performans düşüşü ve güç kalitesi problemleri gibi çeşitli sorunlara yol açabilir.

Bu nedenle elektrik sistemlerinin ve elektronik cihazların performansının değerlendirilmesinde harmonik analiz önemli ölçüm yöntemlerinden biridir.

Harmonik Nedir?

Alternatif akım sistemlerinde gerilim ve akımın temel frekansta ideal bir sinüs dalgasına sahip olması beklenir.

Türkiye’deki elektrik şebekesinde temel frekans 50 Hz‘dir.

Bu temel frekansın tam sayı katlarında ortaya çıkan frekans bileşenlerine harmonik adı verilir.

Örneğin 50 Hz temel frekansa sahip bir sistemde:

    1. harmonik: 50 Hz
    1. harmonik: 100 Hz
    1. harmonik: 150 Hz
    1. harmonik: 250 Hz
    1. harmonik: 350 Hz

şeklinde harmonik bileşenler oluşabilir.

Bir elektriksel sinyal yalnızca temel frekanstan oluşmuyorsa dalga şekli ideal sinüs formundan uzaklaşmaya başlar.

Harmonikler Neden Oluşur?

Harmoniklerin en önemli nedenlerinden biri doğrusal olmayan elektriksel yüklerdir.

Bu cihazlarda çekilen akım, uygulanan gerilim ile aynı biçimde değişmez. Özellikle güç elektroniği devrelerinde kullanılan hızlı anahtarlama elemanları dalga şeklinde bozulmalara neden olabilir.

Harmonik oluşturabilecek yaygın sistemler arasında:

  • Frekans konvertörleri
  • Motor sürücüleri
  • İnverterler
  • UPS sistemleri
  • Anahtarlamalı güç kaynakları
  • LED sürücüleri
  • Elektrikli araç şarj sistemleri
  • Endüstriyel güç elektroniği cihazları
  • Bilgisayar ve elektronik cihazlar

bulunur.

Modern tesislerde bu tür cihazların kullanımının artması harmonik ölçümünü güç kalitesi açısından daha önemli hale getirmiştir.

Harmonik Analiz Nedir?

Harmonik analiz, ölçülen gerilim veya akım sinyalinin temel frekans ve harmonik bileşenlerine ayrılarak incelenmesidir.

Bu analiz sayesinde bir sinyal içerisinde hangi harmonik bileşenlerin bulunduğu ve bu bileşenlerin seviyeleri belirlenebilir.

Örneğin bir akım sinyalinde 3., 5. veya 7. harmoniklerin yüksek olması sistemdeki dalga şekli bozulmasının kaynağı hakkında önemli bilgiler sağlayabilir.

Harmonik analiz yalnızca harmoniklerin varlığını tespit etmek için değil, elektrikli cihazların performansını ve güç kalitesini değerlendirmek için de kullanılır.

THD Nedir?

Harmonik ölçümlerinde en sık kullanılan parametrelerden biri THD (Total Harmonic Distortion – Toplam Harmonik Bozulma) değeridir.

THD, bir gerilim veya akım dalga şeklinin temel bileşene göre ne kadar bozulduğunu gösterir.

Genel olarak düşük THD değeri, dalga şeklinin ideal sinüs formuna daha yakın olduğunu gösterir.

Yüksek THD değerleri ise sistemde önemli harmonik bileşenlerin bulunduğuna işaret edebilir.

Gerilim için THD-V, akım için ise THD-I ifadeleri kullanılabilir.

Harmonikler Nasıl Ölçülür?

Harmonik ölçümü için uygulamaya bağlı olarak güç analizörü, güç kalitesi analizörü veya uygun ölçüm fonksiyonlarına sahip farklı test cihazları kullanılabilir.

Ölçüm sırasında cihaz gerilim ve akım sinyallerini örnekler ve sinyal içerisindeki frekans bileşenlerini analiz eder.

Ölçüm sonucunda genellikle:

  • Temel frekans
  • Harmonik sırası
  • Harmonik gerilim
  • Harmonik akım
  • Harmonik oranları
  • THD
  • Faz bilgileri

gibi değerler incelenebilir.

Gelişmiş güç analizörleri harmonik ölçümlerini diğer güç parametreleriyle birlikte gerçekleştirebilir.

Bu sayede aktif güç, güç faktörü ve verimlilik gibi değerlerle harmonik davranış aynı test içerisinde değerlendirilebilir.

Güç Analizörü ile Harmonik Ölçümü

Güç analizörleri özellikle ürün geliştirme, Ar-Ge ve laboratuvar çalışmalarında ayrıntılı elektriksel ölçümler için kullanılmaktadır.

Bir güç analizörü kullanılarak gerilim ve akım ölçümlerinin yanı sıra:

  • Aktif güç
  • Reaktif güç
  • Görünür güç
  • Güç faktörü
  • Frekans
  • Faz açısı
  • Harmonik bileşenler
  • THD
  • Enerji

gibi birçok parametre aynı sistem üzerinden analiz edilebilir.

Özellikle inverter, elektrik motoru ve güç kaynağı testlerinde güç ölçümü ile harmonik analizin birlikte yapılması sistem davranışının daha ayrıntılı incelenmesini sağlar.

Güç Kalitesi Analizörü ile Harmonik Ölçümü

Güç kalitesi analizörleri ise elektrik tesislerinde meydana gelen güç kalitesi problemlerinin araştırılmasında yaygın olarak kullanılır.

Bu cihazlarla harmoniklerin yanı sıra uygulamaya ve cihazın özelliklerine bağlı olarak:

  • Gerilim düşmeleri
  • Gerilim yükselmeleri
  • Kesintiler
  • Frekans değişimleri
  • Dengesizlik
  • Flicker
  • Ani olaylar
  • Güç ve enerji değerleri

gibi farklı güç kalitesi parametreleri takip edilebilir.

Bu nedenle saha ölçümlerinde güç kalitesi analizörleri önemli teşhis araçlarıdır.

Harmoniklerin Elektrik Sistemlerine Etkileri Nelerdir?

Yüksek harmonik seviyeleri elektrik sistemlerinde çeşitli problemlere neden olabilir.

Kablo ve İletkenlerde Isınma

Harmonik akımlar iletkenlerde ek kayıpların oluşmasına ve sıcaklığın yükselmesine neden olabilir.

Transformatörlerde Kayıplar

Harmonik bileşenler transformatörlerde ek demir ve bakır kayıplarına yol açarak sıcaklığın artmasına ve verimliliğin azalmasına neden olabilir.

Elektrik Motorlarında Performans Kaybı

Harmonikler motorlarda ek kayıplar, titreşim ve sıcaklık artışı oluşturabilir.

Kondansatörlerde Zorlanma

Kompanzasyon sistemlerinde kullanılan kondansatörler harmoniklerden etkilenebilir. Belirli koşullarda rezonans problemleri de ortaya çıkabilir.

Ölçüm ve Kontrol Sistemlerinde Problemler

Yüksek seviyedeki elektriksel bozulmalar hassas elektronik cihazların ve kontrol sistemlerinin çalışmasını olumsuz etkileyebilir.

İnverterlerde Harmonik Analiz

İnverterler DC elektrik enerjisini kontrollü AC enerjiye dönüştürmek için hızlı anahtarlama tekniklerinden yararlanır.

Bu nedenle inverter çıkışındaki gerilim ve akım dalga şekilleri harmonik bileşenler içerebilir.

İnverter testlerinde harmonik analiz ile çıkış dalga şeklinin kalitesi ve motor üzerindeki etkileri değerlendirilebilir.

Aynı zamanda güç analizörü kullanılarak inverterin giriş ve çıkış gücü ölçülerek dönüşüm verimliliği de hesaplanabilir.

Elektrik Motorlarında Harmonik Ölçümü

Elektrik motorları özellikle değişken hızlı sürücülerle birlikte kullanıldığında harmoniklerden etkilenebilir.

Motor girişindeki gerilim ve akım harmoniklerinin analiz edilmesi;

  • Motor kayıplarının değerlendirilmesi
  • Isınmanın araştırılması
  • Sürücü performansının incelenmesi
  • Enerji verimliliğinin değerlendirilmesi

açısından faydalıdır.

Motor test sistemlerinde güç analizörü ile elektriksel giriş gücü ölçülürken tork ve devir bilgilerinin kullanılmasıyla mekanik çıkış gücü ve motor verimliliği de hesaplanabilir.

Harmonik Ölçüm Cihazı Seçerken Nelere Dikkat Edilmeli?

Harmonik analiz için cihaz seçerken yalnızca cihazın harmonik ölçüm özelliğine sahip olması yeterli değildir.

Uygulamaya göre aşağıdaki özelliklerin değerlendirilmesi gerekir:

  • Gerilim ölçüm aralığı
  • Akım ölçüm aralığı
  • Ölçüm doğruluğu
  • Bant genişliği
  • Örnekleme hızı
  • Ölçülebilen harmonik mertebesi
  • Kanal sayısı
  • AC/DC ölçüm yeteneği
  • Harmonik analiz fonksiyonları
  • Veri kayıt özellikleri
  • Haberleşme arayüzleri

Özellikle güç elektroniği uygulamalarında hızlı anahtarlama sinyallerinin doğru şekilde ölçülebilmesi için cihazın bant genişliği ve örnekleme özellikleri önemlidir.

Sonuç

Harmonikler, modern elektrik sistemlerinde güç kalitesini ve enerji verimliliğini etkileyebilen önemli elektriksel bozulmalardır.

İnverterler, motor sürücüleri, UPS sistemleri, elektrikli araç sistemleri ve anahtarlamalı güç kaynaklarının yaygınlaşması harmonik analiz ihtiyacını daha da artırmıştır.

Doğru ölçüm cihazları kullanılarak gerilim ve akım harmonikleri, THD ve diğer güç parametreleri analiz edilebilir. Böylece sistemde meydana gelen güç kalitesi problemleri belirlenebilir ve ekipman performansı daha ayrıntılı şekilde değerlendirilebilir.

Unitek Elektrik’in sunduğu güç analizörleri ve güç kalitesi analizörleri, laboratuvar ve saha uygulamalarında elektriksel parametrelerin ve harmoniklerin ölçülmesine yönelik farklı çözümler sunmaktadır.