Harmonik Filtre Nedir? Nerelerde Kullanılır? Kompanzasyonda Harmonik Filtre Kullanımı

Elektrik enerji sistemlerinde lineer (doğrusal) olmayan yüklerin meydana getirdiği harmonik bozunumlar sanayi tesislerinde arızalara neden olarak ciddi problemleri beraberinde getirebilir.

Harmonik nedir?

Elektrik dağıtım şebekelerinde üretilen gerilim bilindiği üzere 50 hz (bazı ülkelerde 60 hz de olabilmektedir) frekansında ve sinüzoidal şekildedir. Sağlıklı bir sistemde çekilen akımın da sinüs şeklinde olması beklenir. Ancak günümüzde modern elektrikli ekipmanlar, yarı iletken teknolojilerinin kullanıldığı cihazlar, lineer olmayan yüklerle akımı sinüzoidal olmayan dalga formunda çekerler. Bu bozulmaya harmonik adı verilir.

Harmonikler, güç sistemlerinde gerilim düşümlerine, kayıplara, kesicilerin hatalı çalışmasına, motorlarda sarsıntı ve verim düşümüne, hassas elektronik cihazların bozulmasına, kompanzasyon sistemlerinin aşırı yüklenerek arızalanmasına varıncaya kadar birçok ekonomik ve teknik probleme yol açarlar.

Harmonik Filtre Nedir?

Harmonik filtreler, harmonik üreten bir cihazdan beslenen yükün gerilim dalgasını düzelterek, sisteme katılan harmonik bozulmaların önüne geçerler. İşlevleri bakımından aktif ve pasif olmak üzere ikiye ayrılırlar.

Aktif filtreler kontrollü akım ya da gerilim kaynağına sahiptirler ve çekilen harmonikleri analiz ederek uygun bir fazda harmonik bileşenleri yüke uygularlar. 

Harmoniklerin giderilmesi için özel olarak geliştirilmiş bu filtreler ileri güç elektroniği temellerini kullanırlar ve pasif filtrelere göre çok daha pahalı bir çözüm sunarlar.

Harmoniklerin önüne geçilmesi için en çok kullanılan harmonik filtre reaktörü ise pasif filtrelerdir. Pasif filtreler kaynak ile alıcı arasına yerleştirilen seri bağlı endüktans ve kondansatör bileşimidir. Harmonik kaynağı ile şebeke arasına seri bağlanan pasif filtreler, temel frekans dışındaki bileşenleri yok ederler. 

Harmonik filtreler, sanayi tesislerinde ve enerji sistemlerinde harmonik kaynaklı problemlerin önüne geçmek için kullanılırlar. Harmoniklerin filtrelenmediği sistemlerde oluşan gerilim düşümleri ve kayıplar, verimliliği düşürmekle birlikte tesis güvenliğini de riske ederler. 

Harmoniklerin olumsuz etkilerinin önüne geçmek, kompanzasyon sistemlerinin sağlıklı çalışmasını sağlamak ve tesislerdeki enerji verimliliğini arttırmak için mutlaka harmonik filtre kullanılarak harmoniklerin filtrelenmesi gerekir.

Kompanzasyonda Harmonik Filtre Kullanımı

Kompanzasyon sistemlerinde yaşanan arızaların en büyük nedenlerinden biri harmoniklerdir. Eğer tesisinizde kullanılan kompanzasyon sistemindeki kondansatörlerde aşırı ısınma sorunu varsa, kondansatörler sıklıkla arızalanıyor ve sürekli kondansatör değiştirmek durumunda kalıyorsanız sisteminizde harmonikleri filtrelemeniz gerekir. 

Bunun için kondansatörlerinizin önüne harmonik filtre reaktörleri yerleştirilerek pasif filtreleme yapılabilir. Kondansatörlerin güç ve gerilim değerlerine göre tasarlanmış harmonik filtre reaktörleri kondansatörlere seri bağlanarak, harmonikten kaynaklanan bozulmaların önüne rahatlıkla geçilebilir.

Kaynak: Entes

Doğrultma Devrelerinde Kullanılan Kondansatörlü ve Bobinli Filtre Devreleri

Doğrultma devrelerinde transformatörün çıkışına bağlanan diyotlarla iki yönlü olarak dolaşan akım tek yönlü hâle getirilir. Ancak, diyotlar akımı tam olarak doğrultamazlar. Yani elde edilen DC gerilim dalgalı (nabazanlı, salınımlı) değişken doğru akımdır. Bu da alıcıların düzgün çalışmasını engeller. Çıkışı tam doğru akım hâline getirebilmek için kondansatör ya da bobinler kullanılarak filtre (süzgeç) devreleri yapılmıştır.

Kondansatörlü Filtre Devresi

Doğrultma devresinin çıkışına paralel bağlı olan kondansatör, çıkış sinyalini filtre
ederek düzgünleştirir. Şekilde görüldüğü gibi diyottan geçen pozitif alternans
maksimum değere doğru yükselirken kondansatör şarj olur. Alternans sıfır (0) değerine doğru inerken ise kondansatör üzerindeki akımı alıcıya (RY) verir. Dolayısıyla alıcıdan geçen doğru akımın biçimi daha düzgün olur. Osiloskopla yapılacak gözlemde bu durum görülebilir. Filtre olarak kullanılan kondansatörün kapasite değeri ne kadar büyük olursa çıkıştan alınan Doğru Akım daha düzgün olur. Doğrultma devrelerinde alıcının çektiği akım göz önüne alınarak 470-38.000 μF arası kapasiteye sahip kondansatörler kullanılır.

Kondansatörler AC gerilimin maksimum değerine şarj olurlar. AC gerilimin maksimum değeri etkin (efektif) değerinden % 41 fazla olduğundan, doğrultma devresinin çıkışındaki DC, girişteki AC gerilimden yaklaşık % 41 oranında daha yüksek olur. Devrenin çıkışına yük bağlandığında gerilimdeki bu yükselme düşer. Örneğin, 12 volt
çıkış verebilen bir transformatör kullanılarak tam dalga doğrultma devresi yapılırsa, devrenin çıkışına alıcı bağlı değilken yapılan ölçümde voltmetre 16-17 voltluk bir değer gösterir; çünkü 12 voltluk AC' nin maksimum değeri Vmaks = Vetkin*1,41 = 16,92 volttur.

Bobinli Filtre Devresi

Bobinler "L" self endüktansına sahiptir. Bir bobinden akan akım, bir direnç üzerinden
akan akıma göre 90° daha gecikmelidir. Bobinlerin bu özellikleri zıt elektro motor kuvvet (E.M.K.) üretmelerindendir. Bobinden akım geçerken bu akımı azaltıcı etki yapar, devrenin kesilmesi anında düşen akıma da büyültücü etki yapar. Böylece doğrultma devresi çıkışında daha düzgün bir Doğru Akım elde edilir. Bobin doğrultma devresinin çıkışına seri bağlanır.

Pi Tipi Filtre Devresi

Yukarıda yapılan açıklamalardan da anlaşılacağı gibi, doğrultucu çıkışına bağlanan
paralel kondansatör, yük direnci uçları arasındaki DC gerilimdeki dalgalanmaları (ripple) azalmakta, çıkışa seri olarak bağlanan şok bobini ise yük direncinden akan akım dalgalanmalarını azaltmaktadır. Bu nedenle,  kondansatör ve şok bobinlerinin sayısının arttırılması oranında, çıkıştan alınan DC gerilim ve akımdaki dalgalanmalar da azalır. 

Doğrultma ve Filtre Devrelerinin Tanımı, Çalışma Prensibi ve Blok Şeması

Elektrik enerjisi şehir şebekesinden evlerimize ve işyerlerimize 220 Volt AC gerilim olarak dağıtılmaktır. Elektronik cihazlar (televizyon, cep telefonu vb.) ise daha düşük ve DC gerilimle çalışmaktadır. Bunun için 220 Voltluk AC gerilimin daha düşük (bazen de daha yüksek) DC gerilimlere çevrilmesi gereği ortaya çıkar. AC gerilimleri uygun seviyeye getiren ve DC gerilime çeviren devrelere adaptör, redresör veya doğrultucu devre adı verilir.

Güç kaynaklarının yapısında dört aşama vardır. Bunlar sırasıyla;

1- AC gerilimin düşürülmesi veya yükseltilmesi (transformatör)
2- AC gerilimin DC gerilime çevrilmesi (doğrultulması)
3- Doğrultulan DC gerilimdeki dalgalanmaların önlenmesi (filtrelenmesi)
4- DC gerilimin sabit tutulması yani regüle edilmesi

Yukarıda birinci ve ikinci basamaklarda yazılı olan işlemler tüm güç kaynaklarında yapılması zorunlu olan hususlardır. Üçüncü ve dördüncü basamaklarda belirtilen işler ise güç kaynağının kalitesini arttıran ve üretilen gerilimi mükemmel hale getiren işlerdir.