Tesislerde Harmonikler Nedeniyle Oluşan Arızalar
Harmonikler, adından her geçen gün daha çok bahsettiren, son yılların popüler güç kalitesi bozukluğudur ve birçok farklı tesiste farklı bozucu etkileri mevcuttur. Bu yazı kapsamında harmoniklerin bazı temel elektriksel ekipmanlar üzerinde yarattığı bozucu etkilere yer verilecektir.
Sabit genlik ve frekanstaki saf sinüsoidal dalga şekline sahip bir kaynak tarafından beslenen lineer elemanların bulunduğu bir elektrik sisteminde harmonikler bulunmazlar. Ancak, ilerleyen teknolojiye paralel şekilde artan güç elektroniği elemanları gibi lineer olmayan yükler kaynak üzerinden harmonikli akımlar çekerek kaynağı kirletmektedirler. Harmoniklerin yoğun olarak bulunduğu elektrik sistemlerinde, harmoniklerden kaynaklanan bazı olumsuzluklar meydana gelir.
Harmoniklerden kaynaklanan olumsuzlukların tesisler için hem teknik hem ticari açıdan birçok etkisi vardır. Bu etkilerin doğru şekilde analiz edilip anlaşılması, hem tesislerdeki işletme devamlılığı açısından hem de tesislerin ulusal ve uluslararası yönetmeliklere uyumu açısından kritik öneme sahiptir.
İlginizi Çekebilir: Örnek Proje Enerji İzleme Sistemi
Harmoniklerin bulunduğu sistemlerde, normal şartlar altında saf sinüsoidal formda olması beklenen akım ve gerilim dalga şekilleri bozulurlar. Dalga şeklinin bozulmasının genel olarak beraberinde getireceği problemler;
- Kaynak gerilim dalga şeklinin bozulması,
- Hatlardaki rms akım artışına bağlı olarak iletim ve dağıtımda verim azalması,
- Kompanzasyon sistemlerinde arızaların gerçekleşmesi,
- Elektrik motorlarında ve trafolarda aşırı ısınmalar,
- Hassas elektonik cihazlarda, PLC ve CNC cihazlarında arızaların yaşanması,
- Ekipmanların yalıtım seviyelerinde zorlanmalar ve aşınmalar,
- Sistem içerisindeki kayıpların artması,
- Koruma ve kumanda sistemlerinde hatalı çalışmaların olması,
- Gerilim düşümlerinin artması,
- Sistemlerdeki yüksek frekanslarda rezonans risklerinin oluşması,
olarak sıralanabilirler. Yaşanacak problemin sıklığı be büyüklüğü ise tesis tipi, tesisin çalışma gerilimi, yüklerin çeşidi/yoğunluğu ve şebeke kısa devre gücü gibi etkenlere göre değişkenlik göstermektedir.
Ekipman çeşidine göre arızaların incelenmesi
Gerek endüstride gerekse ticari işletmelerde motor, kondansatör, sürücü, bilgisayar, lamba gibi çeşitli elektriksel elemanlar kullanılmaktadır. Bu gibi elemanların tamamının üzerinde harmoniklerin farklı etkileri söz konusudur. Harmonikler, temel şebeke frekansının tam katı büyüklüğündeki yüksek frekanslı bileşenler olduğundan, yüksek frekansların şebekede dolaşması rezonans risklerini artıracaktır. Harmoniklerden kaynaklanan etkiler, zaman zaman sadece bir veya birkaç eleman lokalinde kalabilirken, zaman zaman ise tüm tesisin çalışmasını etkileyecek global problemlere de yok açabilmektedir. Harmoniklerin bazı elektriksel ekipmanlar üzerindeki etkilerinden aşağıda bahsedilmektedir.
1 – Kondansatörler
Elektrik sistemlerinde kompanzasyon amacıyla yoğun olarak kullanılan kondansatör, normalde lineer devre elemanıdır ve şebekeden harmonikli akım çekmez. Ancak, bozucu yüklerin olduğu, harmonikli akımların ve harmonik gerilimlerinin bulunduğu sistem içerisindeki kondansatör, harmoniklerden ciddi miktarda etkilenir.
Kondansatör empedansı bilindiği üzere;
şeklinde bulunur. Eşitlikten de görülebildiği gibi, frekansın artması kondansatör empedansında düşüşe neden olacaktır. Örneğin, 50 Hz şebeke frekansında 10Ω olan kondansatör empedansı, 5. Harmonik bileşeninin frekansı olan 250 Hz için beş kat azalacak ve 2Ω olacaktır. Buna göre kondansatörler, yüksek frekanslı harmonik bileşenlerine düşük empedans gösterirler.
Kondansatörler, empedansları nedeniyle sistemdeki bozucu yükler tarafından yaratılan harmonikleri üzerlerine çekmeye yatkındırlar. Üzerine temel şebeke frekansı ile beraber harmonik akımları da çeken kondansatörün rms akımı artacak ve hem elektriksel hem mekanik olarak zorlanmaya başlayacaktır. Bu artış için IEC 60831 standardı bir sınır belirlemiştir ve tüm kondansatör üreticileri kondansatörlerini nominal akımının %30 fazlasına (8saat/24saat) dayanacak şekilde üretmektedir.
Kondansatörlerin harmoniklerle olan ilişkisinin bir diğer ayağı ise rezonans problemidir. Transformatör, motor gibi endüktif reaktif karakterli yüklerin kullanıldığı sistemlerde kullanılan kondansatörler, bu yüklerle seri ve paralel rezonans ihtimalini doğururlar. Bir tesise çıplak kondansatörler uygulanması gerektiğinde, uygulanacak kondansatör grubunun güç sisteminde oluşturacağı rezonans frekansının hesaplanması gerekmektedir.
2 – Motor ve generatörler
Motor ve generatör gibi döner makinalarda harmoniklerin yarattığı en ciddi etki rotor ve stator devrelerinde aşırı ısınmadır. Harmonik akımları sebebiyle bakır kayıpları, harmonik gerilimleri sebebiyle ise demir kayıpları artar. Yüksek frekanslı harmonik bileşenleri, makinanın düzgün dönmesi için oluşturulması gereken şebeke frekansındaki döner manyetik alanı bozar ve makinanın gürültülü ve sarsıntılı çalışmasına yol açar. Harmoniklerin bulunduğu bir sistemde çalışan motorun verimi azalır.
3 – Transformatörler
Harmonikler transformatörler üzerinde demir ve bakır kayıplarını artırıcı etki yaparlar. Frekansın artmasıyla kayıplar da artar, bu yüzden mertebeli harmonikler düşük mertebeli bileşenlere göre daha etkili olabilmektedirler.
Harmonikler, transformatörler üzerinde gürültü artışına ve mekanik zorlanmalara neden olurlar.
Özellikle endüstriyel tesislerde transformatörlerin beslediği yüklerin önemli bir kısmının harmonik kaynağı olması, trafo boyutlandırması yaparken daha dikkatli olunması zorunluluğunu ortaya çıkarmıştır. Transformatördeki harmonikler, kayıplarla beraber ısınmanın ve izolasyon sorunlarının da artmasına neden olurlar. Bu nedenle, K-faktörü diye bilinen özel transformatörler ya da standart transformatörler için K-faktörü çarpanı kullanılır.
Transformatörler, manyetik çekirdeği doyuma gittiğinde aynı zamanda harmonik de üretirler. Bu yüzden literatürde harmonik kaynaklarından bahsedilirken transformatörden de söz edilir.
4 – Anahtarlama elemanları ve sigortalar
Harmonik akımlarının varlığı ile birlikte artan rms akımlar, anahtarlama elemanları üzerinde hatalı çalışmalara neden olurlar. Yüksek frekanslı bileşenler sebebiyle, devre kesicilerin ark söndürme işlevini yerine getirirken kullandığı elektromanyetik endüksiyon bobininin çalışmasında hatalar oluşabilir. Bobinde oluşan hatalı çalışmalar kesicinin operasyonunu etkiler. Harmoniklerden kaynaklanan ısıl artış da anahtarlama elemanlarının ömrünü olumsuz etkiler.
Rms akım artışına bağlı sigortalarda da zamansız/gereksiz açmalar yaşanır, sigorta açma eğrisi karakteristikleri değiştiği için sistemlerdeki koruma seçiciliğinde sorunlar meydana gelir.
5 – Elektronik – Hassas cihazlar
Harmoniklerin bulunduğu sistemlerde çalışan elektronik kontrol cihazları, zaman zaman hatalı çalışmalara neden olurlar. Harmonikler, gerilimin dalga şeklini bozduğu gibi, sıfır geçiş noktalarını da değiştirip kaydırabilmektedir. PLC gibi elektronik kontrol cihazlarında sıfır geçiş noktası önemli bir referans noktasıdır ve bu referansta yaşanacak değişiklik tüm sistemin çalışmasını etkiler.
Elektronik kart arızaları da harmoniklerden kaynaklanan etkilerden biridir. Kart girişlerinde bulunan parazit filtre devresi içerisindeki kondansatörler de harmoniklerden dolayı aşırı akım çekip patlayabilir. CNC tezgahı gibi kritik yüklerin kart arızaları söz konusu olduğunda, bu problemin maddi karşılığı ciddi rakamlara ulaşır.
6 – Kablo ve baralar
Harmonik bileşenleri yüksek frekanslıdır ve literatürde skin-effect (deri etkisi) denilen etkiyi meydana getirirler. Bir iletkenin alternatif akımdaki direnci doğru akımdaki direncinden daha büyüktür. Hamonik bileşenler için bu direnç daha da artmaktadır.
Yüksek frekanslı harmonik akımları iletken üzerinden geçerken iletkenin yoğun olarak dış yüzeyini tercih etmek isteyecektir, bu da akımın akmak için kullandığı kesitin azalmasına, dolayısıyla direncin artmasına neden olacaktır. Deri etkisi nedeniyle iletkenlerin kayıplar artar ve iletkenler mekanik zorlanmalara ve titreşimlere maruz kalırlar. Aşırı ısınma da harmonik kaynaklı deri etkisinin iletkenler üzerindeki olumsuz sonuçlarından biridir.
Yukarıda anlatılanlar dışında röleler, aydınlatma elemanları, iletim ve dağıtım hatları gibi birçok elektriksel unsur da harmoniklerden etkilenmektedir. Harmoniklerin elektrik sisteminden arındırılması sayesinde tesisler için hem ticari yönden getiri sağlanabilmekte, hem de tesisin güç kalitesi bakımından iyileştirilmesi ile tüm sistem elemanlarının daha uzun ömürlü ve daha problemsiz çalışması sağlanabilmektedir.
