White paper Hogere harmonischen

White paper Hogere harmonischen fortop 2013

White paper Hogere harmonischen auteur: Arjan Pit sales manager energy control fortop inhoud 1 Wat zijn hogere harmonischen? 03 2 Sub- en interharmonischen 05 3 Harmonischen en blindvermogen 05 4 Gevolgen van hogere harmonischen 06 4.1 Overbelasting van de nulleider 06 4.2 Het onverwacht uitschakelen van 07 beveiligingstoestellen 4.3 Overbelasting van kabels en leidingen in het algemeen 07 4.4 Overbelasting van transformatoren 07 4.5 Overbelasting van condensatoren 08 4.6 Extra verwarming van motoren 08 4.7 Resonantie 08 5 Het oplossen van problemen ten gevolge van hogere harmonischen 08 5.1 Ontwerp van de installatie 08 5.2 Passieve filters 09 5.3 Actieve filters 09 6 Harmonischen en normen 10 7 Het meten van hogere harmonischen 11 8 Het registreren en bewaken van harmonischen 12 fortop white paper Hogere harmonischen 2

Door de toename van elektronische apparatuur wordt het net in steeds sterkere mate vervuild. Ster-driekhoekschakelaars worden vervangen door elektronische aandrijvingen, gloeilampen worden vervangen door LED-lampen. We hebben allemaal PC s en flat screen tv s in huis. Hierdoor ontstaan hogere harmonischen. fig. 1. Lineaire belastingen worden vervangen door niet-lineaire belastingen Nu is het net in het algemeen sterk genoeg om deze problemen op te vangen, maar lokaal kunnen ze toch tot problemen leiden. Overbelasting van kabels en het onverklaarbaar trippen van automaten zijn bekende voorbeelden. 1 Wat zijn hogere harmonischen? Normaal gesproken is de netspanning zuiver sinusvorming. Als hier een lineaire belasting op wordt aangesloten, is de stroom zuiver sinusvormig. Indien de sinus wordt vervormd, kan deze worden beschreven als de som van meerdere sinussen met een frequentie die gelijk is aan een veelvoud van de grondfrequentie (50Hz). Deze beschrijving (of analyse) van het signaal noemen we de fourier analyse. Dit wordt verduidelijkt in figuur 2 op pagina 5. De stroom die we hier zien, (groen) is een stroom die wordt opgenomen door een electronische voeding. We kunnen deze stroom beschrijven als de som van afzonderlijke sinusvormige componenten (rood). fortop white paper Hogere harmonischen 3

fig. 2 De fourier-analyse van een vervuilde stroomvorm De afzonderlijke sinusvormige componenten kunnen we met staafjes weergeven. Op de x-as is te zien wat de frequentie van de harmonische componenten is aangeduid in veelvouden van de grondfrequentie. Op de y-as is te zien wat de procentuele waarden van de amplitude ten opzichte van de grondgolf zijn. Het uiteenrafelen van een niet sinusvormige stroom in afzonderlijke sinusvormige componenten met verschillende frequenties, weergegeven in een staafdiagram, noemen we ook wel de fourier-analyse. De groene golfvorm die we zien is opgebouwd uit: - Een grondgolf met een frequentie van 50Hz, amplitude = 100% - Een 3 e harmonische f=150hz met een amplitude van 95% tov de grondgolf - Een 5 e harmonische f=250hz met een amplitude van 85% tov de grondgolf en 7 e harmonische f=350hz met een amplitude van 70% tov de grondgolf - Een 9 e harmonische 7=450Hz met een amplitude van 60% tov de grondgolf We hebben nu de pulserende stroomvorm van de sinus benaderd. Om het af te maken zie je rechtsonder in het figuur de fourieranalyse tot de 25 e harmonische. In formulevorm: I RMS = I1(50Hz) 2 + 95%*I1(150Hz) 2 + 85%*I1(250Hz) 2 + 70%*I1(350Hz) 2 + 60%*I1(450Hz) 2 + enz. De totale harmonische distortie (THD) is de som van alle harmonische componenten van de spanning of stroom afgezet tegen de grondharmonische van spanning of stroom. De THD wordt aangegeven in procenten. Hoe hoger het percentage, hoe meer harmonische vervuiling. fortop white paper Hogere harmonischen 4

2 Sub- en interharmonischen Sub-harmonischen zijn harmonischen met een frequentie die lager zijn dan de grondharmonische (50Hz) maar ongelijk aan een veelvoud van de grondharmonische. 3 Harmonischen en blindvermogen Het blindvermogen wordt gebruikt om het magnetisme in stand te houden van transformatoren, voorschakelapparatuur en motoren. Stroom en spanning zijn dan niet in fase. Het onderstaande figuur maakt duidelijk dat alleen actieve energie, het werkelijk vermogen, zinvol is (het bier). Het blindvermogen (het schuim) wordt niet omgezet in zinvolle energie. Als we het bier en het schuim bij elkaar optellen krijgen we de minimale grootte van het glas, die we kunnen beschouwen als het benodigde schijnbare vermogen. Hoe meer blindvermogen, hoe meer koper- transformator en aansluitcapaciteit er nodig is. Deze theorie geldt alleen bij zuivere sinusvorm van 50Hz, dus bij lineaire belastingen. Pb Pw = werkelijk vermogen Pb = blindvermogen Ps = schijnbaar vermogen Pw = U x I x cosφ Watt Pb = U x I sinφ Var Ps = U x I VA Pw Ps Pw φ Ps Pb fig. 3 Het blindvermogen dat wordt gegenereerd door de faseverschuiving tussen spanning en stroom Bij niet lineaire belastingen hebben we te maken met hogere harmonischen. Ook de stroom en spanning van hogere harmonische componenten zijn niet met elkaar in fase. Ook dit genereert blindvermogen. Het blindvermogen dat wordt genereerd door de faseverschuiving tussen spanning en stroom bij 50Hz noemen we faseverschuiving- of fundamenteel blindvermogen. Het blindvermogen dat wordt gegenereerd door de hogere harmonische componenten noemen we distortieblindvermogen. Het totale blindvermogen verkrijgen we dus door het faseverschuivingblindvermogen en het distortieblindvermogen vectoriëel bij elkaar op te tellen. Nu is de Cos-Phi de verhouding tussen het werkelijk vermogen en het schijnbaar vermogen bij 50Hz. De power-factor is de verhouding tussen het werkelijk en schijnbaar vermogen bij alle frequentiecomponenten. fortop white paper Hogere harmonischen 5

Cos Phi = Pw / Ps (50Hz) Arbeidsfactor (power factor) = Pw / Ps (bij alle frequentie componenten) Hogere harmonischen wekken dus extra blindvermogen op, maar wat zijn de echte gevolgen van hogere harmonischen? 4 Gevolgen van hogere harmonischen 4.1 Overbelasting van de nulleider Als veel schakelende voedingen of lampen met elektronische voorschakelapparatuur zijn opgenomen in een 3 fasen-net met nul, dan is het aandeel 3 e harmonische componenten in de stroom groot. Een eigenschap van de grondharmonische van 50Hz is dat de vector-som van de stroom van de 3 fasen op elk moment nul is. Dus bij een gelijk belast systeem loopt er dan geen stroom door de nul. De 3 e harmonische componenten zijn weliswaar 120 o verschoven, toch sommeren ze zich. Daarom sommeren ze zich in de nul waardoor de stroom door de nul veel groter is dan verwacht. fig. 4 Harmonischen met een veelvoud van drie worden in TN-stelsels door de nul afgevoerd Als de fasestroom van de grondgolf 10A is, en het aandeel 3 e harmonische stroom is 60%, dan loopt door de nul 18A. Overigens geldt bovenstaande theorie voor de harmonische componenten die een veelvoud zijn van 3, dus ook de 9 e, 15 e, 21 e enzovoort. fortop white paper Hogere harmonischen 6

4.2 Het onverwacht uitschakelen van beveiligingstoestellen Hogere harmonische stromen kunnen aanleiding zijn tot het onverwacht uitschakelen van beveiligingstoestellen. Vaak worden beveiligingsautomaten berekend door het werkelijk vermogen van de afzonderlijke belastingen bij elkaar op te tellen. Harmonischen veroorzaken echter distorsieblindvermogen. Dit blindvermogen leidt ertoe dat smeltdraden en bimetalen extra worden verwarmd, zodat uitschakeling eerder plaats vindt dan men op basis van het berekende werkelijk vermogen zou verwachten. De capacitieve werking van een installatie zorgt in combinatie met hogere harmonischen voor grotere lekstromen. Hierdoor kunnen de aardlekschakelaars eerder aanspreken dan dat we verwachten. 4.3 Overbelasting van kabels en leidingen in het algemeen Harmonischen zorgen voor extra blindvermogen. Dit blindvermogen is verantwoordelijk voor de warmteontwikkeling in kabels en leidingen. Daarnaast zorgt het skin-effect ervoor dat stromen-componenten van hogere frequenties meer aan de buitenkant van de geleider gaan lopen, waardoor extra warmteontwikkeling ontstaat. Skin effect: stroomdichtheid weergegeven in massieve geleider weinig stroom 50Hz 350Hz 7e harmonische 2kHz 40e harmonische veel stroom fig. 5 Het skin-effect veroorzaakt een hogere stroomdichtheid aan de buitenkant van de geleider 4.4 Overbelasting van transformatoren Harmonische stromen zullen de koper-, wervelstroom en lekstromenverliezen verhogen waardoor er extra warmte-ontwikkeling ontstaat. Ook het skin effect zorgt voor extra opwarming. Door de extra warmte-ontwikkeling neemt het rendement van een transformator af. Dit verhoogt de k-factor van een transformator, waardoor de maximale belasting moet worden gereduceerd. Dit wordt ook het wel de-raten van een transformator genoemd. Als een k-factor 1,15 is, mag de transformator maar voor 85% van het nominale vermogen worden belast. fortop white paper Hogere harmonischen 7

4.5 Overbelasting van condensatoren Bij een vervuilde netspanning kan de stroom door een condensator behoorlijk oplopen. De weerstand (impedantie) van een condensator is namelijk omgekeerd evenredig met de frequentie: Zc= 1 / 2πfC 4.6 Extra verwarming van motoren Bij een vervuilde netspanning worden in een elektromotor extra wervelstroomverliezen opgewekt. Daarnaast zorgen hogere harmonische spanningen ervoor dat er velden worden opgewerkt die de motor op een ander toerental of tegengesteld willen laten draaien. 4.7 Resonantie Als capaciteiten en inducties in het net aanwezig zijn, zoals bijvoorbeeld bij het toepassen van blindstroomcompensatie, kan resonantie ontstaan. Resonantie ontstaat op die punten waar de impedantie van een in seriegeschakelde kring minimaal is (bij het injecteren van een stroom) en de impedantie van een parallelkring maximaal is (bij het injecteren van een spanning). 5 Oplossen van problemen ten gevolge van harmonischen In veel gevallen zijn de gevolgen van harmonische problemen goed in de hand te houden door de harmonischen continu te bewaken en kleine aanpassingen in het ontwerp van de installatie. Soms zijn de kosten van het aanpassen van de installatie zo hoog dat (actieve) filters moeten worden toegepast. 5.1 Ontwerp van de installatie Houdt bij de keuze van de leidingdoorsnede, transformatoren en beveiligingtoestellen rekening met de aanwezigheid van bijvoorbeeld 3 e harmonische stroomcomponenten. We beperken de stromen niet, maar kiezen voor overcapaciteit in de installatie zoals dikkere leidingen. Houdt rekening bij het verdelen van verschillende belastingen over verschillende groepen. Apparatuur die gevoelig is voor harmonischen moet zoveel mogelijk gescheiden worden van apparatuur die veel harmonischen genereren. Sluit grote vervuilende toestellen zo dicht mogelijk aan bij de transformator. Hier is het net het sterkst en worden de nadelige effecten van de vervuilende toestellen op de kwaliteit van de spanning voor de andere toestellen zoveel mogelijk beperkt. fortop white paper Hogere harmonischen 8

5.2 Passieve filters Passieve filters kunnen worden gebruikt om specifieke harmonische stromen te blokkeren (sperfilter) of juist voor deze harmonische stromen een lage impedantie te vormen (zuigfilter). Een sperfilter kan hogere harmonische spanningen veroorzaken en is duur omdat het totale vermogen door het filter moet worden gevoerd. Een zuigfilter kan als nadeel hebben dat hij harmonische stromen van de buren ook naar binnen kan zuigen. Hierdoor kan het filter overbelast raken. Daardat de netten zich steeds dynamische gaan gedragen, raken de passieve filters steeds meer uit beeld en worden actieve filters toegepast. fig. 6 Een zuigfilter voor verschillende harmonische stroomcomponenten 5.3 Actieve filters Een actief filter kan worden vergeleken met een anti-geluid installatie. Een actief filter meet continu de vorm van de stroom en biedt op basis van deze meting een tegenstroom aan voor de vervuilende stroomcomponenten. Het resultaat is dat er na het filter een bijna sinusvormige stroom ontstaat. Stroom na filter Stroom voor filter CT Filter-stroom Actief filter Frequentieregelaar fortop white paper Hogere harmonischen 9

Doordat een actief filter een vrij programmeerbare stroombron die ingezet kan worden in elk type installatie. Met behulp van het instellen van de parameters kan gekozen worden op welk type vervuiling het filter zich moet concentreren en in hoeverre hij deze moet elimineren. Dat betekend dus dat filters niet alleen worden gebruikt voor het elimineren van hogere harmonischen, maar ook voor resonanties, flikker, onbalans en een slechte cosinus phi. U vindt meer informatie over actieve filters in het white paper actieve filters 6 Harmonischen en normen De onderstaande normen zijn spanningskwaliteitsnormen en beschrijven de maximale harmonische spanningsvervuiling in openbare- en niet openbare netten. EN50150 Spanningskwaliteitnorm voor openbare netten voor laag- en middenspanning Deze norm beschrijft de minimale eisen waaraan de kwaliteit van de netspanning dient te voldoen op het overdrachtspunt van de netbeheerder naar de klant. De EN50160 is onderdeel van de netcode. De EN50160 beschrijft onder andere de maximale harmonische spannings vervuiling tot de 25 e orde. EN61000-2-4 Spanningskwaliteitsnorm voor niet openbare industriële netten tot 35kV Deze norm beschrijving de minimale eisen waaraan de kwaliteit van de netspanning dient te voldoen in het niet opebare (privé) domein. Deze norm beschrijft onder andere de maximale harmonische vervuiling tot de 50 e orde en geeft bovendien aanbevelingen voor interharmonischen en harmonischen tot 9kHz. De installatie-verantwoordelijke is ervoor verantwoordelijk dat de spanningskwaliteit aan deze norm voldoet. EN61000-2-2 Spanningskwaliteitsnorm voor openbare laagspanningsnetten Deze norm komt voor een groot deel overeen met de EN50160 maar beschrijft de maximale harmonische spanningsvervuiling tot de 40 e orde. U vindt meer informatie over deze normen in de white paper Power Quality. Met de Janitza Powerquality analysers UMG605 en UMG511 zijn complete rapportages conform de EN50160 en EN61000-2-4 uit te draaien. Hierdoor is het mogelijk in één oogopslag te zien of de harmonische vervuiling binnen de toegestane grenswaarden ligt. De onderstaande normen zijn emissienormen (stroomkwaliteitsnormen) en beschrijven de maximale harmonische stroomvervuiling die toestellen in het net mogen emiteren. Emissienormen stroomvervuiling emiteren in het net op toestelniveau EN61800-3 EN61000-3-2 Maximale harmonische stroomvervuiling van frequentieregelaars Maximale harmonische stroomvervuiling van apparaten t/m 16A EN61000-3-12 Maximale harmonische stroomvervuiling van apparaten groter dan 16A en kleiner dan 75A fortop white paper Hogere harmonischen 10

Er bestaan nog geen normen voor de maximale stroomvervuiling op het niveau van de aansluiting met de netbeheerder. Dit is ook niet zo makkelijk omdat spanning en stroom altijd elkaar beïnvloeden. Een slechte spanningskwaliteit leidt automatisch tot een slechte stroomkwaliteit en andersom. Met de gratis bijgeleverde software GridVis is het mogelijk uitgebreide analyses te doen en rapportages te draaien volgende de gangbare normen. 7 Het meten van hogere harmonischen kwh meters registreren geen hogere harmonischen. Het blindverbruik dat door harmonischen wordt gegenereerd, wordt door deze meters dan ook niet geregistreerd. Een standaard energiemeter (multimeter) is dan ook niet geschikt om signalen met hoge frequenties te meten. Het bereik loopt tot hooguit enkele kiloherzen. True-RMS meters hebben een iets hoger bereik. Voor het goed meten van hogere harmonischen, maken we gebruik van power analysers. Bij de Janitza power analysers kunnen we alle afzonderlijke harmonische componenten voor alle fasen afzonderlijk meten. Bij de meeste modellen hebben we ook de mogelijkheid om de harmonische componenten van het werkelijk- en blindvermogen te meten. Hierdoor is de richting van het vermogen van alle afzonderlijke harmonische componenten vast te stellen. fortop white paper Hogere harmonischen 11

Tabel 1 Janitza meters met de uitgebreide meetfuncties voor hogere harmonischen Janitza model orde even harmonischen oneven harmonischen inter harmonischen stroom spanning werkelijk vermogen (+/-) blindvermogen (+/-) L1 L2 L3 L4 UMG103 Harmonischen 1-25 e x x x x x x x THD-U in % x x x THD-I in % UMG69RM Harmonischen 1-40 e x x x x x x x THD-U in % x x x THD-I in % x x x UMG104/604 Harmonischen 1-40 e x x x x x x x x x x THD-U in % x x x x THD-I in % x x x x UMG605 Harmonischen 1-63 e x x x x x x x x x x x THD-U in % x x x x THD-I in % x x x x UMG508 Harmonischen 1-40 e x x x x x x x x x x THD-U in % x x x x THD-I in % x x x x UMG511 Harmonischen 1-63 e x x x x x x x x x x x THD-U in % x x x x THD-I in % x x x x Stroommeettransformatoren hebben een goede doorlaatkarakteristiek tot 2kHz. Dat betekent dat harmonische stroomcomponenten tot de 40 e orde nauwkeurig kunnen worden gemeten met de klassieke stroomtransformatoren. fortop white paper Hogere harmonischen 12

8 Het registreren en bewaken van harmonischen De meeste power analysers zijn voorzien van geheugen (zie Tabel 1, pag. 10). Hierdoor worden belangrijke power quality parameters bewaakt en opgeslagen. Hierdoor is het mogelijk op ieder moment van de dag een harmonischen analyse te doen, maar ook een historische trend op te vragen. fig. 7 De fourier analyse van een LED-lamp fig.8 Historische waardes van de 3 e harmonische stroom Met de grafische programmeertaal Jasic is het mogelijk verschillende acties uit te voeren afhankelijk van de grootte van de afzonderlijke harmonische componenten. Neem voor meer informatie vrijblijvend contact met ons op: 038 337 2700 of info@4top.nl. fortop white paper Hogere harmonischen 13

fortop 2013