Elektrik Sistemlerinde Harmonik Nedir? THD Ölçümü ve Harmonik Analizi Rehberi

Modern elektrik tesislerinde kullanılan frekans konvertörleri, UPS sistemleri, anahtarlamalı güç kaynakları, LED sürücüler ve benzeri elektronik yükler enerji verimliliği ve kontrol açısından önemli avantajlar sağlar. Ancak bu yükler elektrik şebekesindeki akım ve gerilim dalga şekillerinin ideal sinüs formundan uzaklaşmasına da neden olabilir.

Bu bozulmanın önemli nedenlerinden biri harmoniklerdir.

Elektrik sistemlerindeki yüksek harmonik seviyeleri; transformatörlerin ve kabloların ısınması, nötr iletkeninde yüksek akım, kondansatör problemleri ve bazı koruma veya kontrol ekipmanlarının beklenmeyen davranışları gibi sorunlarla ilişkilendirilebilir.

Bu nedenle özellikle endüstriyel tesislerde harmonik analizi ve THD ölçümü, güç kalitesi çalışmalarının önemli bir parçasıdır.

Harmonik Nedir?

İdeal bir AC elektrik sisteminde gerilim ve akım dalga şeklinin temel frekansta düzgün bir sinüs formuna sahip olması beklenir.

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

Harmonikler, bu temel frekansın tam sayı katlarında ortaya çıkan frekans bileşenleridir.

Örneğin 50 Hz temel frekanslı bir sistemde:

• harmonik: 100 Hz
• harmonik: 150 Hz
• harmonik: 250 Hz
• harmonik: 350 Hz
• harmonik: 450 Hz

frekanslarında oluşur.

Bu harmonik bileşenlerin temel dalga üzerine eklenmesi sonucunda akım veya gerilim dalga şekli ideal sinüs formundan uzaklaşabilir.

Harmonikler Neden Oluşur?

Harmoniklerin başlıca kaynaklarından biri doğrusal olmayan yüklerdir.

Doğrusal bir yük, uygulanan gerilime karşı daha öngörülebilir bir akım davranışı gösterirken doğrusal olmayan elektronik yükler şebekeden sinüzoidal olmayan akım çekebilir.

Günümüzde endüstriyel ve ticari tesislerde bu tür yüklerin sayısı oldukça fazladır.

Başlıca harmonik kaynakları arasında:

• Frekans konvertörleri (VFD)
• UPS sistemleri
• Doğrultucular
• Anahtarlamalı güç kaynakları
• Bilgisayar ve sunucu güç kaynakları
• LED aydınlatma sürücüleri
• Elektronik balastlar
• Kaynak makineleri
• İnverter sistemleri
• Elektrikli araç şarj ekipmanları

sayılabilir.

Tesis içerisindeki doğrusal olmayan yük miktarı arttıkça harmoniklerin güç kalitesi üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi daha önemli hale gelebilir.

THD Nedir?

Harmonik değerlendirmesinde en sık karşılaşılan parametrelerden biri THD – Total Harmonic Distortion, yani Toplam Harmonik Bozulma değeridir.

THD, bir sinyalde bulunan harmonik bileşenlerin temel bileşene göre toplam bozulma seviyesini ifade etmek için kullanılan bir göstergedir.

Genellikle yüzde (%) olarak gösterilir.

Güç kalitesi analizlerinde iki temel THD değeriyle karşılaşılır:

THD-V: Gerilimdeki toplam harmonik bozulmayı ifade eder.

THD-I: Akımdaki toplam harmonik bozulmayı ifade eder.

Bu iki değerin birbirinden ayrılması önemlidir.

Bir tesiste akım harmonikleri yüksek olabilirken gerilim harmonikleri aynı seviyede olmayabilir.

Yüksek Harmonik Seviyesi Hangi Sorunlara Yol Açabilir?

Harmonikler her zaman doğrudan bir arıza anlamına gelmez. Ancak yüksek seviyelerde bulunduğunda elektrik sistemindeki bazı ekipmanlar üzerinde ilave elektriksel ve termal stres oluşturabilir.

Transformatörlerde Isınma

Harmonik akımlar transformatörlerde ek kayıplara neden olabilir.

Bu durum özellikle yoğun doğrusal olmayan yüklerin bulunduğu tesislerde transformatör sıcaklığının ve yüklenme koşullarının değerlendirilmesini önemli hale getirir.

Kablolarda İlave Isınma

Harmonik bileşenler iletkenlerde oluşan kayıpları etkileyebilir.

Kabloların akım yükleri ve sıcaklıkları değerlendirilirken yalnızca temel frekanstaki yükün değil, sistemdeki harmonik içeriğin de dikkate alınması gerekebilir.

Nötr İletkeninde Yüksek Akım

Özellikle üç fazlı sistemlerde bazı harmonik bileşenler nötr iletkeninde birbirini iptal etmek yerine toplanabilir.

Bu nedenle faz akımlarının dengeli göründüğü bazı sistemlerde bile nötr akımının beklenenden yüksek olması mümkündür.

Bu durum özellikle çok sayıda bilgisayar, LED sürücü veya elektronik güç kaynağının bulunduğu yapılarda araştırılması gereken konulardan biridir.

Kondansatörlerde Problemler

Kompanzasyon sistemlerindeki kondansatörler harmoniklerden etkilenebilir.

Belirli koşullarda harmonikler ve sistem empedansı rezonans riskleri oluşturabilir ve kondansatörlerin beklenenden fazla zorlanmasına neden olabilir.

Bu nedenle harmoniklerin yoğun olduğu tesislerde kompanzasyon sisteminin tasarımı ayrıca değerlendirilmelidir.

Motorlarda Ek Kayıplar

Harmonikler elektrik motorlarında ek kayıplara, titreşime ve sıcaklık artışına katkıda bulunabilir.

Özellikle büyük motorların ve hız kontrol sürücülerinin yoğun olarak kullanıldığı tesislerde güç kalitesi analizi faydalı bilgiler sağlayabilir.

Harmonik Ölçümü Nasıl Yapılır?

Profesyonel harmonik ölçümü için genellikle güç ve enerji kalitesi analizörleri kullanılır.

Cihazın gerilim girişleri ve akım probları uygun şekilde sisteme bağlanır.

Üç fazlı bir sistemde analizör;

• faz gerilimlerini,
• faz akımlarını,
• frekansı,
• aktif gücü,
• reaktif gücü,
• görünür gücü,
• güç faktörünü,
• harmonikleri,
• THD değerlerini

aynı anda ölçebilir ve kaydedebilir.

Gelişmiş cihazlar ayrıca gerilim düşmeleri, yükselmeleri, kesintiler, dengesizlik, flicker, transient ve kalkış akımı gibi farklı güç kalitesi olaylarını da analiz edebilir.

Harmonik Analizinde Sadece THD Değerine Bakmak Yeterli mi?

Hayır.

THD hızlı bir genel değerlendirme için oldukça kullanışlıdır ancak detaylı bir harmonik analizinde tek başına yeterli olmayabilir.

Örneğin iki farklı sistem aynı THD değerine sahip olsa bile harmonik dağılımları tamamen farklı olabilir.

Bir sistemde 3. harmonik baskınken diğerinde 5. ve 7. harmonikler daha yüksek olabilir.

Bu nedenle profesyonel değerlendirmede:

harmonik spektrumu + bireysel harmonik seviyeleri + THD + yük durumu + gerilim/akım dalga şekilleri

birlikte incelenmelidir.

3., 5. ve 7. Harmonikler Neden Önemlidir?

Saha ölçümlerinde bazı harmonik mertebeleri diğerlerinden daha sık gündeme gelir.

3. Harmonik

Üçüncü harmonik özellikle nötr iletkeni açısından dikkat edilmesi gereken bileşenlerden biridir.

Üç fazlı dört iletkenli sistemlerde üçüncü harmonik ve diğer üçlü harmonikler nötr hattında toplanabilir.

5. Harmonik

Beşinci harmonik endüstriyel sistemlerde sık karşılaşılan harmonik bileşenlerden biridir.

Özellikle doğrultucu ve sürücü tabanlı yüklerin bulunduğu sistemlerin analizinde görülebilir.

7. Harmonik

Yedinci harmonik de çeşitli güç elektroniği yüklerinin bulunduğu sistemlerde ölçülebilir.

Ancak hangi harmoniklerin baskın olacağı kullanılan ekipmanların topolojisine ve tesisin çalışma koşullarına bağlıdır.

Bu nedenle yalnızca belirli bir harmonik mertebesinin varlığına bakarak arıza teşhisi yapılmamalıdır.

Harmonik Analizi Ne Kadar Süre Yapılmalıdır?

Bu sorunun tek bir cevabı yoktur.

Anlık bir harmonik ölçümü, ölçüm yapılan saniyedeki sistem koşullarını gösterir. Ancak fabrikalardaki elektriksel yükler gün içerisinde sürekli değişebilir.

Örneğin:

• üretim hattı devreye girebilir,
• büyük motorlar çalışabilir,
• kaynak makineleri kullanılabilir,
• HVAC sistemleri devreye girebilir,
• UPS yükleri değişebilir.

Bu nedenle güç kalitesi problemlerinin araştırılmasında uzun süreli kayıt yapmak çoğu zaman daha fazla bilgi sağlar.

Güç analizörü saatler veya günler boyunca sisteme bağlı bırakılarak elektriksel parametrelerin zamana bağlı değişimi kaydedilebilir.

Harmonik Kaynağı Nasıl Bulunur?

Bir tesiste yüksek harmonik seviyesi tespit edildiğinde sonraki soru genellikle şudur:

Harmoniği hangi yük oluşturuyor?

Bunun için ölçümler kademeli olarak gerçekleştirilebilir.

Öncelikle tesisin ana besleme noktasında genel güç kalitesi ölçümü yapılabilir.

Daha sonra dağıtım panoları ve belirli yük grupları ayrı ayrı incelenebilir.

Örneğin;

Ana pano → tali pano → üretim hattı → sürücü → yük

şeklinde ilerlenerek harmonik seviyelerinin hangi noktada belirgin biçimde arttığı araştırılabilir.

Bu yaklaşım harmonik kaynağının lokalize edilmesini kolaylaştırır.

True RMS Ölçüm Harmonikli Sistemlerde Neden Önemlidir?

Dalga şeklinin ideal sinüs olmadığı sistemlerde klasik ortalama değer esaslı ölçüm yöntemleri yanıltıcı sonuçlar oluşturabilir.

Bu nedenle frekans konvertörü, UPS, elektronik güç kaynağı ve benzeri doğrusal olmayan yüklerin bulunduğu ortamlarda True RMS (TRMS) ölçüm özelliğine sahip cihazların kullanılması önemlidir.

TRMS özellikli bir multimetre veya pensampermetre bozulmuş dalga şekillerinde RMS değerinin daha doğru belirlenmesine yardımcı olur.

Ancak TRMS ölçümü ile harmonik analizi aynı şey değildir.

TRMS cihaz akım veya gerilimin etkin değerini ölçerken, güç analizörü harmonik bileşenlerin seviyelerini ve dağılımını ayrıca gösterebilir.

Güç Analizörü Seçerken Nelere Dikkat Edilmeli?

Harmonik ve güç kalitesi analizi amacıyla cihaz seçilirken uygulamanın gereksinimleri dikkate alınmalıdır.

Faz Sayısı

Tek fazlı sistemler ile üç fazlı endüstriyel sistemlerin ölçüm ihtiyaçları farklıdır.

Üç fazlı tesislerde uygun sayıda gerilim ve akım kanalına sahip cihazlar saha çalışmalarını kolaylaştırır.

Harmonik Analiz Kapasitesi

Cihazın kaçıncı harmonik mertebesine kadar analiz yapabildiği kontrol edilmelidir.

Güç Kalitesi Parametreleri

Yalnızca harmonik ölçümü yeterli değilse cihazın;

• dip,
• swell,
• kesinti,
• flicker,
• dengesizlik,
• transient,
• inrush

gibi güç kalitesi olaylarını ölçme özellikleri değerlendirilmelidir.

Uzun Süreli Kayıt

Aralıklı meydana gelen problemlerin tespit edilmesi için cihazın yeterli hafızaya ve uzun süreli kayıt fonksiyonuna sahip olması önemlidir.

Akım Probları

Ölçülecek maksimum akım ve iletken boyutu dikkate alınarak uygun akım pensleri veya esnek akım probları seçilmelidir.

Raporlama Yazılımı

Profesyonel güç kalitesi çalışmalarında binlerce ölçüm noktasının manuel olarak değerlendirilmesi oldukça zor olabilir.

PC yazılımı ve otomatik raporlama desteği analiz sürecini önemli ölçüde kolaylaştırabilir.

Güç Kalitesi Analizi ile Enerji Analizi Aynı Şey midir?

Tam olarak aynı değildir.

Enerji analizi, tesisin ne kadar enerji tükettiği ve bu enerjinin hangi yüklerde kullanıldığı gibi konulara odaklanabilir.

Güç kalitesi analizi ise elektrik enerjisinin gerilim, frekans, harmonik, dengesizlik ve diğer kalite parametreleri açısından değerlendirilmesine odaklanır.

Modern güç analizörleri çoğu zaman her iki çalışma için gerekli ölçüm fonksiyonlarını aynı cihaz içerisinde sunabilir.

Bu sayede aynı kayıt üzerinden hem enerji tüketimi hem de güç kalitesi değerlendirilebilir.

Endüstriyel Tesislerde Harmonik Analizinin Önemi

Bir fabrikada sık sık sigorta veya şalter problemi yaşanması, transformatörlerin normalden fazla ısınması, kompanzasyon sisteminde arızalar oluşması veya nötr akımının beklenenden yüksek olması durumunda harmonikler araştırılması gereken parametrelerden biri olabilir.

Ancak harmonik analizi yalnızca mevcut bir problem ortaya çıktığında yapılmak zorunda değildir.

Yeni bir üretim hattının devreye alınması, büyük VFD yüklerinin sisteme eklenmesi, UPS kapasitesinin artırılması veya elektrikli araç şarj altyapısının kurulması gibi değişikliklerden önce ve sonra yapılan ölçümler de sistem üzerindeki etkinin değerlendirilmesini sağlayabilir.

TestOne ürün portföyünde Metrel ve Yokogawa başta olmak üzere güç, enerji ve harmonik analizi yapabilen profesyonel test cihazları bulunmaktadır.

Örneğin Metrel’in profesyonel güç kalitesi analizörlerinde üç fazlı ölçüm, harmonik analizi, uzun süreli kayıt ve güç kalitesi değerlendirme fonksiyonları bulunurken; Yokogawa güç analizörleri yüksek hassasiyet gerektiren laboratuvar, Ar-Ge ve güç elektroniği uygulamalarına yönelik çözümler sunmaktadır.

Doğru analizör seçilirken yalnızca fiyat veya maksimum akım değeri değil; ölçüm doğruluğu, kanal sayısı, harmonik kapasitesi, kayıt özellikleri ve yapılacak uygulamanın amacı birlikte değerlendirilmelidir.