Harmonik Nedir? Elektrik Tesisatında Anlamı

Güvenlik sınırı. Elektrik tesisatında ölçüm, sökme ve bağlantı işleri yetkili kişilerce ve enerji kesilerek yapılır. tam notu oku

Harmonik nedir

Şebekenin ürettiği gerilim de, sağlam bir yükün çektiği akım da idealde tek bir biçimi izler: düzgün, tekrarlayan bir sinüs eğrisi (Alternatif Akım Nedir? Doğru Akımla Arasındaki Pratik Fark). Harmonik, bu eğrinin üzerine binen ve temel frekansın tam katı frekanslarda salınan ek bileşenlerdir. Temel dalga tek başına ölçüldüğünde saf bir sinüstür; harmonikler eklendiğinde aynı dalga artık düzgün bir eğri çizmez, tepeleri basıklaşmış veya sivrilmiş, biçimi bozulmuş bir eğriye dönüşür.

Her harmonik bileşen bir “mertebe” ile anılır. Mertebe, o bileşenin frekansının temel frekansın kaçıncı katı olduğunu söyler: ikinci mertebe temel frekansın iki katında, üçüncü mertebe üç katında salınan bir bileşendir. Şebekede fiilen görülen mertebeler tek sayılıdır (3, 5, 7, 9…); bunun nedeni, harmonik üreten yüklerin çoğunun her yarım periyotta simetrik davranmasıdır — çift mertebeler bu simetride birbirini söndürür, tek mertebeler kalır.

Harmonik bir arıza işareti değildir; şebekeye bağlı bir yükün akımı nasıl çektiğinin sonucudur. Doğrusal bir yük — bir ısıtıcı rezistans, bir akkor ampul — akımı gerilimle aynı biçimde, yumuşak bir sinüs olarak çeker. Doğrusal olmayan bir yük ise akımı aynı biçimde çekmez; bu farkın kaynağı aşağıda anlatılıyor.

Sinüs biçimi neden bozulur: temel frekans ve katları

Bir dalganın biçimini bozan şey, üzerine binen her yeni frekansın kendi tepe noktasını farklı bir anda yapmasıdır. Temel bileşen tek başına aktığında dalga düzgündür. Üçüncü mertebe gibi bir bileşen ona eklendiğinde, iki sinüs aynı anda toplanır; toplamın tepe noktası artık temel bileşeninkiyle çakışmaz, iki eğri bazı noktalarda birbirini güçlendirir, bazı noktalarda zayıflatır. Sonuç, periyodik ama artık sinüs olmayan bir eğridir — dalga hâlâ aynı aralıklarla kendini tekrarlar, ama tek bir tepe yerine birden çok kırılma taşır.

Bu toplama ilkesi, herhangi bir tekrarlayan dalganın temel frekans ve onun katlarındaki sinüslerin toplamı olarak yazılabileceği fikrine dayanır; bu fikrin adı Fourier’dendir. Ancak bu yazının konusu o ayrıştırmanın kendisi değil, ayrıştırmanın tesisatta neye karşılık geldiğidir: şebekede ölçülen bozuk bir dalga, aslında temel bileşenle birlikte akan görünmez ek frekansların toplamıdır.

Bozulmanın büyüklüğü sabit değildir; hangi yükün ne kadar çektiğine ve tesisatın o anki durumuna göre değişir. Bu büyüklüğü tek bir sayıyla ifade etmek, kaynağı belirlemeden yapılabilecek bir iş değildir — o yüzden burada bir oran ya da yüzde verilmez; bozulmanın derecesi ölçüm cihazlarıyla, tesisatın kendi koşullarında saptanır.

Hangi cihazlar harmonik üretir

Harmonik üreten yükler ortak bir özelliği paylaşır: akımı, gerilimin biçimini izleyerek değil, kendi iç devresinin izin verdiği anlarda çeker. Bu yüzden “doğrusal olmayan yük” diye anılırlar.

Anahtarlamalı güç kaynakları bu grubun en yaygın örneğidir. Bilgisayar, şarj cihazı, televizyon gibi birçok cihazın girişinde önce gerilimi doğrultan bir köprü, ardından bir kondansatör bulunur. Kondansatör kendini yalnız gerilimin tepe noktasına yakın anlarda doldurur; devre akımı bütün periyot boyunca değil, tepenin çevresindeki kısa bir pencerede, yüklü bir darbe hâlinde çeker. Akımın periyot boyunca yumuşak bir eğri değil, tekrarlayan dar darbeler çizmesi, o darbenin içinde temel frekansın katlarında bileşenlerin gizli olması demektir.

Sürücülü motorlar — hızı ayarlanabilen pompalar, kompresörler, asansör motorları — benzer bir yol izler: şebekeden gelen sabit frekanslı gerilim önce doğrultulur, sonra motorun ihtiyacına göre yeniden parçalar hâlinde şebekeye ya da motora aktarılır. Bu doğrultma-parçalama adımı, girişte çekilen akımı da doğrusal olmayan hâle getirir.

LED aydınlatma sürücüleri de aynı ailededir; LED’in çalışması için gereken sabit ya da düşük gerilimi üretirken, girişte benzer bir doğrultma ve anahtarlama devresi taşırlar. Bunların ortak noktası şebekeden bakıldığında görülür: akım artık gerilimle aynı anda, aynı biçimde yükselip alçalmaz.

Buna karşılık bir ısıtıcı, bir akkor ampul ya da sabit hızlı basit bir motor akımı doğrudan gerilimin izinden çeker; aralarında bir doğrultma ya da anahtarlama katmanı yoktur. Bu yükler doğrusaldır ve harmonik üretmez.

Bir tesisatın toplam harmonik yükü, içindeki doğrusal olmayan cihazların sayısına ve türüne bağlıdır. Tek bir şarj cihazının tesisata bıraktığı iz küçüktür; aynı tesiste çok sayıda bilgisayar, LED armatür ve sürücülü motor birlikte çalıştığında, her birinin ayrı ayrı çektiği darbeli akımlar toplanır ve bozulma tesisatın ortak besleme noktasında daha belirgin hâle gelir. Bu yüzden harmonik, tek bir cihazın özelliği kadar tesisatın bütününün yük bileşimiyle de ilgilidir.

Harmonik bir tesisatta neye yol açar

Bozulmuş bir akımın şebekede bıraktığı iz, tek bir noktada değil birkaç noktada birden görülür. Trifaze bir tesisatta üçüncü mertebe ve onun katları gibi bazı bileşenler, üç fazda birbirini söndürmek yerine nötr iletkende toplanır; bu iletken, faz iletkenlerinin hiçbirinin taşımadığı bir akımı taşımak zorunda kalabilir. Nötrün kesiti bu beklentiyle seçilmemişse iletken normalden fazla ısınır.

Transformatör ve motor sargılarında da benzer bir etki oluşur: yüksek mertebeli bileşenler demir çekirdekte ve sargı direncinde ek kayıp üretir, bu da beklenenin üzerinde bir ısınmaya dönüşür. Isınma zamanla yalıtımın ömrünü kısaltan bir etkendir; termik röle gibi koruma elemanları bu ısınmayı akımdan okur (Termik Röle Nedir?), ama harmonik kaynaklı ısınma ile aşırı yük kaynaklı ısınma aynı ölçüm zincirinden geçtiği için ayırt edilmesi ayrı bir inceleme gerektirir.

Kompanzasyon kondansatörü bulunan bir tesiste harmonikli akımın nasıl bir tablo doğurduğu, reaktif gücün kendi mantığına dayanan ayrı bir konudur (Reaktif Güç Nereden Doğar, Neden Ayrıca Ölçülür?); burada yalnız harmonik akımın kaynağı ve devrede bıraktığı ısınma izi anlatılmaktadır.

Bu izlerin ortak özelliği, hiçbirinin ansızın ortaya çıkmamasıdır. Nötrdeki ek akım da, sargılardaki ek kayıp da zamana yayılan bir yıpranma üretir; günlük çalışmada bir belirti vermeden birikir ve varlığı ancak ölçümle veya yıllar içinde biriken bir arızayla fark edilir. Bu, harmonik bozulmanın aşırı yük gibi ani bir eşiği aşan bir olay değil, tesisatın sürekli çalışma koşulunun bir parçası olarak ele alınmasını gerektirir.

Harmonik filtre nedir, kısaca

Harmonik filtre, tesisattaki harmonik akımların bir bölümüne düşük dirençli bir yol sunarak ya da bunları söndürerek şebekeye yayılmalarını sınırlayan bir donanımdır. Amacı, bozulmuş akımın kaynağını ortadan kaldırmak değil, o akımın şebekenin geri kalanına ne kadarının ulaştığını azaltmaktır. Filtrenin hangi mertebeye göre seçildiği, nasıl boyutlandırıldığı ve tesisata nereden bağlandığı, tesisatın kendi ölçümüne dayanan ayrı bir konudur.

Multimetre harmoniği görebilir mi

Standart bir multimetre, ölçtüğü gerilim ya da akımın saf bir sinüs olduğu varsayımıyla çalışan bir devreye sahiptir; okuduğu değeri bu varsayıma göre hesaplar. Dalga bozulduğunda bu tip bir cihaz gerçek değerden sapan bir sonuç gösterebilir. “Gerçek RMS” (true-RMS) özellikli multimetreler bu sorunu kısmen aşar ve bozulmuş dalganın da doğru bir toplam değerini verir — ama bu değer yine de tek bir sayıdır; dalganın kaç mertebede, ne kadar bozulduğunu göstermez.

Multimetre bir mertebe dökümü ya da bir dalga biçimi çizmez; bunun için osiloskop ya da harmonik analizörü gibi ayrı bir alet gerekir. Multimetrenin ölçüm mantığı ve ulaşamadığı büyüklükler Multimetre Nedir? Ne Ölçer, Ne Ölçmez konusudur.

Özet

Harmonik, şebekedeki gerilim ya da akımın temel frekansın tam katı bileşenlerle bozulmasıdır; bir arıza değil, doğrusal olmayan yüklerin akımı gerilimin biçimini izlemeden, parçalar hâlinde çekmesinin sonucudur. Anahtarlamalı güç kaynakları, sürücülü motorlar ve LED sürücüleri bu türden yüklerdir. Bozulma nötr iletkende, transformatör ve motor sargılarında ek ısınma olarak görülebilir; büyüklüğü tek bir sayıyla değil, tesisatın kendi ölçümüyle belirlenir. Harmonik filtre bu akımların bir bölümünü sınırlayan bir donanımdır, ama seçimi ayrı bir konudur. Standart bir multimetre harmoniğin mertebe dökümünü göstermez; bunun için ayrı bir ölçüm aleti gerekir.

Sık sorulanlar