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, direnç üzerinden geçen voltajla orantılıdır. Bunun nedeni, bir direncin doğrusal bir cihaz olması ve eğer ona uygulanan voltaj bir sinüs dalgası ise, üzerinden akan akımın da bir sinüs dalgası olması, dolayısıyla iki sinüzoid arasındaki faz farkının sıfır olmasıdır.
Genellikle, elektrik devrelerindeki alternatif voltajlar ve akımlar ile uğraşırken, bunların “temel frekans” olarak adlandırılan tek bir frekans değeri ile saf ve sinüzoidal şekilde oldukları varsayılır, ancak bu her zaman böyle değildir.
Doğrusal olmayan, yani üzerinden akan akım, uygulanan voltajla orantılı olmayan bir voltaj-akım karakteristiğine sahip bir elektrikli veya elektronik cihaz veya devrede. Cihazla ilişkili alternatif dalga biçimleri, ideal bir sinüzoidal dalga biçimininkinden daha fazla veya daha az ölçüde farklı olacaktır. Bu tür dalga biçimlerine yaygın olarak sinüzoidal olmayan veya karmaşık dalga biçimleri denir.
Karmaşık dalga biçimleri, demir çekirdekli indüktörler, anahtarlama transformatörleri, floresan lambalardaki elektronik balastlar ve diğer bu tür yoğun endüktif yükler gibi yaygın elektrikli cihazlar ve ayrıca AC alternatörlerin, jeneratörlerin ve diğer bu tür elektrikli makinelerin çıkış voltajı ve akım dalga biçimleri tarafından üretilir. Sonuç, gerilim dalga biçimi olsa bile akım dalga biçiminin sinüzoidal olmayabilmesidir.
Ayrıca doğrultucular, silikon kontrollü doğrultucu (SCR’ler), güç transistörleri, güç dönüştürücüler ve güç kaynaklarını kesen ve kesen diğer katı hal anahtarları gibi çoğu elektronik güç kaynağı anahtarlama devreleri, motor gücünü kontrol etmek veya sinüzoidal AC kaynağını dönüştürmek için sinüzoidal dalga biçimi DC’ye. Bu anahtarlama devreleri, yalnızca AC kaynağının tepe değerlerinde akım çekme eğilimindedir ve anahtarlama akımı dalga biçimi sinüzoidal olmadığından, ortaya çıkan yük akımının Harmonik içerdiği söylenir .
Sinüsoidal olmayan karmaşık dalga biçimleri, “Harmonikler” olarak bilinen bir dizi sinüs dalga frekansının “eklenmesiyle” oluşturulur. Harmonikler, sinüsoidal 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” adı verilen bireysel bileşenlerine ayrılabilir. Fakat “temel frekans” ile ne demek istiyoruz.
Temel frekans
Temel Dalga Formu (veya ilk harmonik), besleme frekansına sahip sinüzoidal dalga formudur. Temel, karmaşık dalga biçiminin üzerine inşa edildiği en düşük veya temel frekanstır ve bu nedenle, ortaya çıkan karmaşık dalga biçiminin periyodik süresi, Τ , temel frekansın periyodik süresine eşit olacaktır.
Temel temel veya 1. harmonik AC dalga biçimini gösterildiği gibi ele alalım.
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. Birleşik Krallık’ta bu temel frekans 50Hz’e, Amerika Birleşik Devletleri’nde ise 60Hz’e ayarlanmıştır.
Harmonikler , temel frekansın bir tamsayı (tam sayı) katı olan bir frekansta çalışan gerilimler veya akımlardır. Yani 50 Hz’lik bir temel dalga biçimi verildiğinde, bu, 2. harmonik frekansın 100Hz (2 x 50Hz), 3. harmonik 150Hz (3 x 50Hz), 250Hz’de 5., 350Hz’de 7. harmonik vb. olacağı anlamına gelir. Benzer şekilde, 60Hz temel dalga formu verildiğinde, 2., 3., 4. ve 5. harmonik frekansları sırasıyla 120Hz, 180Hz, 240Hz ve 300Hz 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
Yukarıdaki kırmızı dalga biçimlerinin, temel frekansa eklenen harmonik içerik nedeniyle bir yük tarafından görülen dalga biçimlerinin gerçek şekilleri olduğuna dikkat edin.
Temel dalga biçimi aynı zamanda 1. harmonik dalga biçimi olarak da adlandırılabilir. Bu nedenle, sol taraftaki sütunda gösterildiği gibi, ikinci harmonik temelin iki katı, üçüncü harmonik temelin üç katı ve dördüncü harmonik temelin dört katı bir frekansa sahiptir.
Sağ taraftaki sütun, temel dalga biçiminin eklenmesi ile farklı harmonik frekanslardaki harmonik dalga biçimleri arasındaki etkinin bir sonucu olarak üretilen karmaşık dalga şeklini gösterir. Ortaya çıkan karmaşık dalga biçiminin şeklinin yalnızca mevcut harmonik frekansların sayısına ve genliğine değil, aynı zamanda temel veya 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 harmonik için:
E 2 = V 2(maks) (2*2πƒt) = V 2(maks) (4πƒt), = V 2(maks) (2ωt)
Üçüncü bir harmonik için:
E 3 = V 3(maks) (3*2πƒt) = V 3(maks) (6πƒt), = V 3(maks) (3ωt)
Dördüncü bir harmonik için:
E 4 = V 4(maks) (4*2πƒt) = V 4(maks) (8πƒt), = V 4(maks) (4ωt)
ve benzeri.
O zaman karmaşık bir dalga biçiminin değeri için verilen denklem şöyle olacaktır:
Harmonikler genellikle adlarına ve frekanslarına göre, örneğin 100 Hz’deki temel frekansın 2. harmoniğine ve ayrıca sıralarına göre sınıflandırılır. Harmonik dizi, dengeli, 3 fazlı 4 telli bir sistemde temel dalga biçimine göre harmonik gerilimlerin ve akımların fazör dönüşünü ifade eder.
Pozitif dizi harmoniği (4, 7, 10, …), temel frekansla aynı yönde (ileri) dönecektir. Negatif dizi olarak harmonik (2., 5., 8., …) temel frekansın ters yönünde (ters) döner.
Genel olarak pozitif dizi harmonikleri, dalga formlarının eklenmesi nedeniyle iletkenlerin, güç hatlarının ve transformatörlerin aşırı ısınmasından sorumlu oldukları için istenmeyen bir durumdur.
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. Faz ile nötr veya toprak arasında sıfır dizi harmonikleri dolaşmaktadır.
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 toplayın.
Sonuç olarak, bu üçlü 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
| İsim | Fon, sermaye. | 2. | 3 üncü | 4. | 5. | 6. | 7. | 8. | 9. |
| Frekans, Hz | 50 | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 450 |
| Sekans | + | – | 0 | + | – | 0 | + | – | 0 |
Aynı harmonik dizinin 60 Hz temel dalga biçimleri için de geçerli olduğunu unutmayın.
| Sekans | döndürme | harmonik etki |
| + | İleri | Aşırı Isıtma Etkisi |
| – | Tersi | Motor Tork Problemleri |
| 0 | Hiçbiri | Nötr 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 bozulma miktarı tamamen mevcut harmoniklerin tipine, miktarına ve şekline bağlı olacaktır.
Harmonikler, motorlar, fanlar ve pompalar için elektronik sürücülerin, doğrultucular, güç dönüştürücüler ve tristör güç kontrolörleri gibi güç kaynağı anahtarlama devrelerinin yanı sıra çoğu doğrusal olmayan elektronik faz kontrollünün piyasaya sürülmesinden bu yana son birkaç on yılda sadece yeterli miktarlarda olmuştur. yükler ve yüksek frekanslı (enerji tasarruflu) floresan lambalar. Bunun başlıca nedeni, yük tarafından çekilen kontrollü akımın, doğrultucular veya güç yarı iletken anahtarlama devrelerinde olduğu gibi sinüzoidal besleme dalga biçimlerini tam olarak takip etmemesidir.
Elektrik güç dağıtım sistemindeki harmonikler, gerilim ve/veya akım dalga biçimlerinde bozulma yaratmak için temel frekans (50Hz veya 60Hz) beslemesi 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 biçimine ayırt edici şeklini veren mevcut dalga biçimi bozulmasının miktarı, harmonik frekansı temel frekansın katları (tam tamsayılar) olan en baskın harmonik bileşenlerin frekansları ve büyüklükleri ile doğrudan ilişkilidir. En baskın harmonik bileşenler, triplenler en kötüsü olmak üzere 2’den 19’a kadar olan düşük sıralı harmoniklerdir .
