Harmonikler

Harmonikler, temel dalga biçimi üzerine bindirilmiş, çarpık bir dalga deseni yaratan istenmeyen yüksek frekanslardır.

Bir AC devresinde, bir direnç, bir DC devresinde olduğu gibi tam olarak aynı şekilde davranır. Yani dirençten geçen akım, üzerindeki voltajla orantılıdır. Bunun nedeni, bir direncin doğrusal bir cihaz olmasıdır ve eğer ona uygulanan voltaj bir sinüs dalgası ise, içinden akan akım da bir sinüs dalgasıdır, dolayısıyla iki sinüzoid arasındaki faz farkı sıfırdır.

Genellikle, elektrik devrelerindeki alternatif voltajlar ve akımlar ile uğraşırken, bunların “temel frekans” olarak adlandırılan tek bir frekans değeri ile saf ve sinüzoidal oldukları varsayılır, ancak bu her zaman böyle değildir.

Doğrusal olmayan, yani içinden akan akım uygulanan voltajla orantılı olmayan bir voltaj-akım karakteristiğine sahip bir elektrikli veya elektronik cihazda veya devrede, cihazla ilişkili alternatif dalga formları, ideal bir sinüzoidal dalga formununkinden daha büyük veya daha az ölçüde farklı olacaktır. Bu tip dalga formlarına genellikle sinüzoidal olmayan veya karmaşık dalga formları denir.

Karmaşık dalga formları, demir çekirdekli indüktörler, anahtarlama transformatörleri, floresan lambalardaki elektronik balastlar ve diğer ağır endüktif yükler gibi yaygın elektrikli cihazlar ve ayrıca AC alternatörlerin, jeneratörlerin ve diğer bu tür elektrikli makinelerin çıkış voltajı ve akım dalga formları tarafından üretilir. Sonuç, gerilim dalga biçimi olsa bile akım dalga biçiminin sinüzoidal olmayabilmesidir.

Ayrıca doğrultucular, silikon kontrollü redresörler (scr’ler), güç transistörleri, güç dönüştürücüler ve motor gücünü kontrol etmek için güç kaynakları sinüzoidal dalga formunu kesen diğer katı hal anahtarları gibi çoğu elektronik güç kaynağı anahtarlama devresi, yalnızca AC beslemesinin tepe değerlerinde akım çekme eğilimindedir ve anahtarlama akımı dalga formu sinüzoidal olmadığından, ortaya çıkan yük akımının Harmonikler içerdiği söylenir.

Sinüsoidal olmayan karmaşık dalga formları, “Harmonikler” olarak bilinen bir dizi sinüs dalga frekansının “eklenmesiyle” oluşturulur. Harmonikler, sinüzoidal bir dalga biçiminin farklı frekanslardaki dalga biçimleriyle bozulmasını tanımlamak için kullanılan genelleştirilmiş terimdir.

Daha sonra şekli ne olursa olsun, karmaşık bir dalga biçimi matematiksel olarak temel frekans ve bir dizi “harmonik frekans” olarak adlandırılan kendi bileşenlerine ayrılabilir.

Temel Frekans

Temel Dalga Formu (veya ilk harmonik), besleme frekansına sahip sinüzoidal dalga formudur. Temel, karmaşık dalga formunun üzerine inşa edildiği en düşük veya temel frekanstır ve bu nedenle periyodik zaman, elde edilen karmaşık dalga formunun Τ, temel frekansın periyodik zamanına eşit olacaktır.

Gösterildiği gibi temel veya 1. harmonik AC dalga formunu düşünelim.

Temel veya 1. harmonik AC dalga biçimini gösterildiği gibi ele alalım.

harmonikler

Burada: V max , volt cinsinden tepe değeridir ve ƒ , Hertz (Hz) cinsinden dalga biçimi frekansıdır.

Sinüzoidal bir dalga biçiminin, 2πƒ açısının sinüs fonksiyonu olarak değişen alternatif bir voltaj (veya akım) olduğunu görebiliriz. Dalga formu frekansı, ƒ saniyedeki döngü sayısı ile belirlenir. Türkiye’de bu temel frekans 50Hz’e ayarlanmıştır.

Harmonikler, temel frekansın bir tamsayı katı olan bir frekansta çalışan gerilimler veya akımlardır. Bu nedenle, 50hz’lik bir temel dalga formu verildiğinde, bu, 2.harmonik frekansın 100Hz (2 x 50Hz), 3. harmoniğin 150Hz (3 x 50Hz) ve benzeri olacağı anlamına gelir. Benzer şekilde, 60Hz temel dalga formu verildiğinde, 2., 3., 4. ve 5. harmonik frekanslar sırasıyla 120Hz, 180Hz, 240Hz ve 300hz’de olacaktır.

Yani başka bir deyişle, “harmoniklerin” temel frekansın katları olduğunu söyleyebiliriz ve bu nedenle gösterildiği gibi: 2ƒ , 3ƒ , 4ƒ , vb. şeklinde ifade edilebilir.

Harmoniklerden Kaynaklanan Karmaşık Dalga Formları

harmonikler

Yukarıdaki kırmızı dalga biçimlerinin, temel frekansa eklenen harmonik içerik nedeniyle bir yük tarafından görülen dalga biçimlerinin gerçek şekilleri olduğuna dikkat edin.

Temel dalga formu ayrıca 1. harmonik dalga formu olarak da adlandırılabilir. Bu nedenle, ikinci bir harmonik temelin iki katı bir frekansa sahiptir, üçüncü harmonik temelin üç katı bir frekansa sahiptir ve dördüncü harmonik, sol taraftaki grafik gösterildiği gibi temelin dört katı bir frekansa sahiptir.

Sağ taraftaki grafik, temel dalga biçiminin eklenmesi ile farklı harmonik frekanslardaki harmonik dalga biçimleri arasındaki etkinin bir sonucu olarak oluşan karmaşık dalga biçimini gösterir. Ortaya çıkan karmaşık dalga biçiminin şeklinin yalnızca mevcut harmonik frekansların sayısına ve genliğine değil, aynı zamanda temel frekans ile bireysel harmonik frekanslar arasındaki faz ilişkisine de bağlı olacağına dikkat edin.

Karmaşık bir dalganın, her biri kendi tepe değeri ve faz açısına sahip temel bir dalga biçimi artı harmoniklerden oluştuğunu görebiliriz. Örneğin temel frekans şu şekilde verilirse; E = V max (2πƒt) , harmoniklerin değerleri şu şekilde verilecektir:

İkinci bir harmonik için:

2  = V 2(maks) (2*2πƒt) = V 2(maks) (4πƒt), = V 2(maks) (2ωt)

Üçüncü bir harmonik için:

3  = V 3(maks) (3*2πƒt) = V 3(maks) (6πƒt), = V 3(maks) (3ωt)

Dördüncü harmonik için:

4  = V 4(maks) (4*2πƒt) = V 4(maks) (8πƒt), = V 4(maks) (4ωt)

ve bunun gibi.

O zaman karmaşık bir dalga biçiminin değeri için verilen denklem şöyle olacaktır:

harmonikler

Harmonikler genellikle isimleri ve frekansları, örneğin 100 Hz’deki temel frekansın sıralarına göre sınıflandırılır. Harmonik dizi, dengeli, 3 fazlı 4 telli bir sistemde harmonik gerilimlerin ve akımların temel dalga formuna göre fazör dönüşünü ifade eder.

Pozitif bir dizi harmonik (4., 7., 10.,…) temel frekansla aynı yönde (ileri) dönecektir. Burada negatif bir dizi olarak harmonik (2., 5., 8.,…) temel frekansın ters yönünde (ters) döner.

Genel olarak, pozitif dizi harmonikleri istenmez çünkü dalga formlarının eklenmesinden dolayı iletkenlerin, güç hatlarının ve transformatörlerin aşırı ısınmasından sorumludurlar.

Negatif dizi harmonikleri ise fazlar arasında dolaşarak motorlarda ek problemler yaratır, çünkü zıt fazör dönüşü motorların ve özellikle asenkron motorların ihtiyaç duyduğu dönen manyetik alanı zayıflatarak daha az mekanik tork üretmelerine neden olur.

“Triplens” (üçün katları) adı verilen başka bir özel harmonik seti sıfır dönme dizisine sahiptir. Triplenler, üçüncü harmoniğin ( 3., 6., 9.,…) vb. Katlarıdır, dolayısıyla adlarıdır ve bu nedenle sıfır derece ile yer değiştirirler. Sıfır dizi harmonikleri faz ile nötr veya toprak arasında dolaşır.

Birbirini yok eden pozitif ve negatif dizi harmonik akımların aksine, üçüncü dereceden veya üçlü harmonikler birbirini yok etmez. Bunun yerine, her üç fazdan gelen akımlara maruz kalan ortak nötr telde aritmetik olarak toplanırlar.

Sonuç olarak, bu triplen harmonikler nedeniyle nötr teldeki akım genliği, temel frekanstaki faz akımının genliğinin 3 katına kadar çıkarak daha az verimli hale gelmesine ve aşırı ısınmasına neden olabilir.

Daha sonra dizi etkilerini 50 Hz’lik temel frekansın katları olarak şu şekilde özetleyebiliriz:

Harmonik Sıralama

İsimTemel2.3.4.5.6.7.8.9.
Frekans, Hz50100150200250300350400450
Sıra+0+0+0

Aynı harmonik dizinin 60 Hz temel dalga biçimleri için de geçerli olduğunu unutmayın.

SıraYönHarmonik Etki
+İleriAşırı Isıtma Etkisi
TersMotor Tork Problemleri
0HiçbiriNötr Telde Isınmaya Neden Olan Gerilimler ve/veya Akımlar Ekler

Harmonik Özeti

Harmonikler, temel frekansın, yani devrenin frekansının üzerine bindirilmiş ve dalga şeklini bozmaya yeterli olan daha yüksek frekanslı dalga biçimleridir. Temel dalgaya uygulanan distorsiyon miktarı tamamen mevcut harmoniklerin tipine, miktarına ve şekline bağlı olacaktır.

Elektrik güç dağıtım sistemindeki harmonikler, gerilim ve/veya akım dalga biçimlerinde bozulma yaratmak için temel frekans (50Hz veya 60Hz) kaynağı ile birleşir. Bu bozulma, elektrikli ekipman ve güç hatları üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilecek bir dizi harmonik frekanstan oluşan karmaşık bir dalga formu oluşturur.

Karmaşık bir dalga formuna kendine özgü şeklini veren mevcut dalga biçimi bozulma miktarı, harmonik frekansı temel frekansın katları (tamsayılar) olan en baskın harmonik bileşenlerin frekansları ve büyüklükleri ile doğrudan ilişkilidir. En baskın harmonik bileşenler, 2. dereceden 19. dereceye kadar olan düşük mertebeden harmoniklerdir ve triplenler en kötüsüdür.