P ow er Quality metingen: Harmonischen

Transcriptie

1 P ow er Quality metingen: n Focus Power Quality is een begrip dat de laatste decennia enorm aan belangstelling heeft gewonnen. Power Quality behelst het garanderen van een sinusvormige spannings en stroomgolfvorm, met een enkele frequentie (voor België is dit 50 Hz) en een constante amplitude. Afwijkingen van deze ideale vorm zijn in beperkte mate toegelaten, zoals beschreven in de geldende normen inzake Power Quality. Om Power Quality problemen efficiënt te kunnen aanpakken, is het vooreerst van belang om met behulp van enkele metingen de aard en oorzaak van de problemen te kunnen bepalen. W at zijn n? Een eerste veelvoorkomende afwijking van de ideale sinusvormige spannings en stroomgolfvorm zijn harmonischen. Hierbij bevat de golfvorm niet enkel een component op de fundamentele frequentie (50 Hz), maar tevens enkele componenten op frequenties die een natuurlijk veelvoud zijn van de fundamentele frequentie. Vaak wn ze veroorzaakt door de aansluiting van boogovens, aandrijvingen met frequentieomvormers of schakelende voedingen (vermogenelektronica), hoewel een goed ontworpen uitgangsfilter voor deze laatste twee de harmonische stroomvervuiling naar het net toe tot een minimum kan beperken. De mogelijke gevolgen van harmonische vervuiling zijn onder andere een overbelasting van de neutrale geleider, extra verliezen in inductieve elementen, grote stromen door (en bijhorende verliezen in, eventueel zelfs beschadiging van) capacitieve elementen en een verstoring van de correcte werking van bepaalde toestellen die gekoppeld zijn met het vervuilde net. Meten van harmonischen Wanneer men een probleem met harmonische spanningen en/of stromen vermoedt, wil men vaak minstens een antwoord op de volgende twee vragen. Enerzijds: valt de harmonische vervuiling binnen de grenzen gesteld door de normen? Anderzijds: waar ligt de oorzaak van de harmonische vervuiling: wordt deze veroorzaakt door lokaal aangesloten apparatuur (fout bij de klant) of is er al een zekere harmonische spanningsvervuiling aanwezig op het net (fout bij de leverancier)? Beide vragen kunnen beantwoord wn door gerichte metingen met een

2 toestel dat niet enkel spanning en stroom op fundamentele frequentie kan weergeven, maar tevens harmonische componenten. Teneinde het antwoord op de eerste vraag te vinden, dienen de gemeten waarden van de verschillende harmonische spannings en stroomcomponenten vergeleken te wn met de toegelaten grenzen, zoals vermeld in de betrokken normen. Voor Power Quality dienen de normen EN en de reeks IEC te wn geconsulteerd. Daar waar EN zich beperkt tot het vermelden van maximale waarden voor verschillende types van vervuiling van het net, geeft IEC aan hoe er gemeten dient te wn, wat de maximale bijdrage van een bepaalde klasse toestellen is tot de netvervuiling en wat de kaders zijn voor bepaalde voltage events. Tabel 1 geeft de maximale waarden weer voor spanningsharmonischen in het net, volgens EN Het is belangrijk de metingen uit te voeren op het koppelpunt met het net (Point of Common Coupling of PCC). Oneven harmonischen f 3 k f fund, k = 1,2,3,... Oneven harmonischen f = 3 k f fund, k = 1,2,3,... Even harmonischen f = 2 k f fund, k = 1,2,3, Tabel 1: Limietw aarden voor harmonische componenten in de netspanning (EN 50160) Voor een antwoord op de vraag wat de oorzaak is van eventuele harmonische vervuiling, is het aan te raden ook de stromen te meten. Zeker bij toestellen waarvan men een bijdrage tot de harmonische vervuiling vermoedt, dient men zo dicht mogelijk bij het toestel te meten, teneinde zo precies mogelijk vast te kunnen stellen hoe de stroom die het toestel uit het net trekt eruit ziet.

3 Illustraties Teneinde de concepten die in het voorgaande ter sprake zijn gebracht te illustreren, werd een kleine installatie op laboratoriumschaal gebouwd, waarbij de voeding gebeurt aan de hand van een vermogenelektronische omvormer met LCL uitgangsfilter. Hiermee kunnen naast een spanningscomponent op de fundamentele frequentie eveneens harmonischen gegenereerd wn. De impedantie van de kabels voor de installatie werden berekend en geïmplementeerd met spoelen en weerstanden. Figuur 1 geeft de structuur en de verschillende componenten van de opstelling weer. Er werd getracht enkele verschillende types lasten aan te sluiten: lampen, PC s en een transformatorgekoppelde last. Figuur 1: Schema van de opstelling gebruikt voor de metingen In een eerste testsituatie genereert de omvormer naast de 230 V, 50 Hz golfvorm ook een derde harmonische met amplitude 15 V en een vijfde harmonische met amplitude 10 V. Figuur 2 geeft de resultaten weer van de harmonische spanningsanalyse die werd uitgevoerd met de Fluke 43 Power Quality Analyzer op het PCC. In principe kan hetzelfde resultaat bekomen wn met een ander meettoestel, op voorwaarde dat het in staat is om naast de fundamentele golfvorm voor spanning en stroom ook harmonischen te meten. Het is duidelijk dat de spanning relatief vervuild

4 is (een Totale Distortie (THD) van 7.1%) en dat de harmonischen gegenereerd door de omvormer al enigzins verzwakt wn over de kabel naar het PCC. Figuur 3 toont de harmonische analyse van de stroom gemeten op het PCC. De PC s zijn tijdens deze eerste test niet ingeschakeld, zodat de belasting volledig uit resistieve lasten bestaat (op de magnetisatiestroom van de transformator na). De spanningsharmonischen komen dan ook vrijwel volledig overeen met de stroomharmonischen. Figuur 2: analyse van de spanning op het P CC bij de eerste testsituatie Bij de tweede testsituatie genereert de omvormer enkel de 230 V, 50 Hz golfvorm, zodat er geen harmonische spanningsvervuiling vanuit het net aanwezig is. De aangesloten PC s hebben echter een schakelende voeding en trekken een niet lineaire stroom uit het net. Daarnaast zijn ook de lampen en de transformatorgevoed weerstanden nog ingeschakeld. Figuur 4 toont de harmonische analyse van de spanning en stroom gemeten ter hoogte van het PCC. Hieruit blijkt dat vooral de stroom vervuild is, eerder dan de spanning. Figuur 5 toont de harmonische analyse van de spanning en stroom ter hoogte van de aansluiting van de PC s. Hieruit blijkt duidelijk een sterke harmonische vervuiling van de stroom, terwijl de spanning nog steeds een lage THD vertoont. Op deze manier kan men de bron van harmonische vervuiling traceren. Figuur 3: analyse van de stroom door het P CC bij de eerste testsituatie

5 Figuur 4: analyse van de spanning en stroom ter hoogte van het P CC tijdens de tw eede testsituatie Figuur 5: analyse van de spanning en stroom ter hoogte van de last tijdens de tw eede testsituatie Bron : departement Elektrotechniek (ESAT) ELECTA, K.U.Leuven Auteur: ir. Tom Loix