Harmonischen in de netstroom

Harmonischen in de netstroom - Inleiding - Lineaire en niet-lineaire belastingen - Fourieranalyse en THD - Bronnen van stroomharmonischen

Inleiding We bekeken al eerder als voorbeeld - een enkelfasige bruggelijkrichter - met een inductiviteit L aan DC-zijde die zorgt voor een constante DC-stroom. L I DC = cte L1 i f1 (t) D1 D2 u f1 (t) N D3 D4 Enkelfasige gelijkrichterbrug

Inleiding Aangelegde spanning is sinusvormig. De opgenomen stroom is blokgolfvormig.

Inleiding De opgenomen blokgolfvormige stroom van bijvoorbeeld 40 A bevat (piekwaarden): - een 50 Hz grondharmonische: 50,9 A - een 150 Hz derde harmonische: 17,0 A - een 250 Hz vijfde harmonische: 10,2 A - een 350 Hz zevende harmonische: 7,3 A - nog hogere harmonische die kleiner worden naarmate de orde hoger wordt Fourieranalyse

Inleiding De netstroom opgenomen door de gelijkrichter is niet sinusvormig. De stroom bevat sinussen met diverse frequenties die allen door het net geleverd moeten worden. Dit zorgt voor een vervorming van de netspanning omdat al die harmonischen een spanningsval veroorzaken over de netimpedantie.

Inleiding Het net gedraagt zich als een niet-ideale spanningsbron. L1 i f1 (t) ohms-inductief u f1 (t) u net N - i f1 (t) is blokgolfvormig - spanningsval over netimpedantie heeft geen sinusvorm - u f1 (t) is sinusvormig - u net (t) is niet langer sinusvormig

Inleiding Het opnemen van een niet-sinusvormige netstroom zorgt er voor dat een oorspronkelijk sinusvormige u f1 (t) vervormt tot u net (t). Steeds meer en meer belastingen zijn niet-lineair m.a.w. ze nemen niet-sinusvormige stromen op; ook indien ze met sinusvormige spanningsbron gevoed worden. - de opkomst van de vermogenelektronica!

Lineaire en niet-lineaire belastingen Lineaire belastingen nemen een sinusvormige stroom op als ze gevoed worden met een sinusvormige spanning. - ze zijn geen oorzaak van harmonische vervuiling van het net Lineaire belastingen kunnen - resistief zijn - inductief zijn - capacitief zijn

Lineaire en niet-lineaire belastingen Resistieve lineaire belastingen: - gloeilampen - elektrische verwarmingstoestellen Inductieve lineaire belastingen: - inductiemachines - zelfinducties (bedoeld om harmonischen af te zwakken; ook in afgestemde filters) Capacitieve lineaire belastingen: - cosφcondensatorbatterijen - ondergrondse kabels - condensatoren in harmonische filters

Lineaire en niet-lineaire belastingen Niet-lineaire belastingen nemen geen sinusvormige stroom op, ook niet als ze met een sinusvormige spanning gevoed worden. - ze zijn oorzaak van harmonische vervuiling in het net Niet-lineaire belastingen kunnen - vermogenelektronische apparatuur zijn - divers zijn

Lineaire en niet-lineaire belastingen Vermogenelektronische apparatuur: - gelijkrichters - frequentieomvormers - cycloconvertors - UPS-systemen - batterijladers Diversen zoals: - fluorescentielampen - spaarlampen - vlamboogovens - lasmachines

Fourieranalyse en THD Niet sinusvormige 50 Hz stroom i(t) met zodat - gemiddelde waarde I 0 - n-de harmonischen I n (n=1 is de grondharmonische) i( t) = I + I sin( nωt+ ϕ ) 0 n n n= 1 ω = 314 rad/s; gepaste fasehoek φ n

Fourieranalyse en THD Onderstaande figuur illustreert het gebruik van Fourieranalyse.

Fourieranalyse en THD Vaak geeft men in een frequentiespectrum weer welke harmonischen aanwezig zijn en hoe groot die zijn. Er is geen DC-componente. Er is een grondharmonische. De oneven harmonische zijn aanwezig. Hoe hoger de orde, hoe kleiner de harmonische.

Fourieranalyse en THD De Totale Harmonische Distorsie (THD) geeft weer hoeveel de golfvorm vervormd is ten opzichte van een ideale sinusvorm. Meer specifiek: THD I = n= 2 I 1 I 2 n Hoe kleiner dit getal, hoe beter de sinusvorm benaderd is.

Het aantal elektrische/elektronische apparaten dat stroomharmonischen genereert is quasi onbeperkt. We geven hier een aantal voorbeelden. De voorbeelden zijn zo gekozen dat diverse types belastingen aan bod komen.

TRANSFORMATOR: Omwille van het niet lineaire gedrag van het ferromagnetisch materiaal in een transformator, neemt deze een niet-sinusvormige magnetiseringsstroom op (ook indien deze met een sinusvormige spanning gevoed is). Spanning is sinusvormig magn. flux en magn. inductie B zijn sinusvormig doch magn. veldsterkte H en bijhorende magn. stroom is niet langer sinusvormig

TRANSFORMATOR: Naarmate de voedingsspanning groter is, komt het materiaal dieper is saturatie en is er meer vervorming van de magnetiseringsstroom. Zolang men in het lineair gebied blijft van de BHcurve, blijft de stroom sinusvormig.

TRANSFORMATOR: Wanneer het hysteresisverschijnsel in rekening gebracht wordt, dan wordt de nuldoorgang van de stroom verschoven ten opzichte van de nuldoorgang van de flux, de inductie en de spanning. De positieve en de negatieve alternanties van de stroom hebben een andere vorm. Er treedt asymmetrie op. Door die asymmetrie bevat het spectrum niet alleen oneven harmonischen, er zijn nu ook even harmonischen.

TRANSFORMATOR: Stroom bevat even en oneven harmonischen.

ZELFINDUCTIE: Eerder hebben we aangehaald dat een zelfinductie een lineaire belasting is. Dit is waar indien: - we te maken hebben met een luchtspoel - het ferromagnetische materiaal binnen het lineaire gebied blijft Een zelfinductie is niet-lineair indien de ferromagnetische kern in verzadiging komt.

INDUCTIEMOTOR: Omwille van kleine asymmetrieën bij de stator en rotorgleuven, omwille van onregelmatigheden in het windingspatroon, omwille van saturatie van het ferromagnetisch materiaal kan de inductiemotor stroomharmonischen opnemen. Die zijn evenwel beperkt. Daarom beschouwden we eerder een inductiemachine als een lineaire belasting.

GELIJKRICHTERBRUG: Vermogenelektronische schakelingen, zoals gelijkrichters, zijn belangrijke bronnen van harmonische stromen. We bestudeerden al eerder een enkelfasige diodegelijkrichterbrug. We bekijken hier een driefasige thyristorgelijkrichterbrug.

GELIJKRICHTERBRUG:

GELIJKRICHTERBRUG: Geïdealiseerde netstroom opgenomen door 6 pulsige gelijkrichterbrug indien aan DC-zijde een constante stroom vloeit. Is dus allesbehalve sinusvormig. Het spectrum?

GELIJKRICHTERBRUG: Spectrum netstroom van een 6 pulsige gelijkrichterbrug (met constante DC-stroom). Bemerk de aanwezigheid van: - grondharmonische: 50 Hz - vijfde harmonische: 250 Hz - zevende harmonische: 350 Hz - elfde harmonische: 550 Hz -

GELIJKRICHTERBRUG: Opgenomen lijnstroom 6-pulsige gelijkrichterbrug indien geen constante DCstroom aan DC-zijde. De harmonische inhoud is slechter, grotere THD.

12-PULSIGE GELIJKRICHTERBRUG: Om de harmonische inhoud van de opgenomen stroom te beperken, kan overgestapt worden op een 12-pulsige gelijkrichterbrug. Deze heeft meteen ook al het voordeel een meer constante DC-spanning te leveren. Een 12-pulsige gelijkrichterbrug is weliswaar een grotere investering, die wordt dan vooral gebruikt bij grotere vermogens.

12-PULSIGE GELIJKRICHTERBRUG:

12-PULSIGE GELIJKRICHTERBRUG: Dus 2 keer een 6-pulsige gelijkrichter; gevoed door een transfo met 2 secundaires. De secundaire spanningen zijn 30 verschoven t.o.v. elkaar. Beiden zorgen dan ook voor een lijnstroom zoals al eerder beschreven; doch 30 verschoven. De totale stroom is dan ook minder vervormd.

12-PULSIGE GELIJKRICHTERBRUG:

12-PULSIGE GELIJKRICHTERBRUG: Je ziet onmiddellijk dat de totale stroom (rood) de sinusvorm beter benadert dan de stromen (blauw) afkomstig van de 6-pulsige gelijkrichters. Dit zie je ook in het spectrum. - grondharmonische is gebleven - vijfde en zevende harmonischen zijn verdwenen - elfde en dertiende harmonischen zijn er wel, maar die zijn klein -

12-PULSIGE GELIJKRICHTERBRUG: THD is veel verbeterd. De hogere harmonischen zijn allemaal klein t.o.v. de grondharmonische.

FLUORESCENTIELAMP: Een gewone gloeilamp neemt sinusvormige stromen op, het is een lineaire belasting. Een TL-lamp is dat niet. Dus ook TL-lampen zorgen voor netvervuiling. De stroomvorm, en daarmee verbonden, de harmonische inhoud is ook afhankelijk van het type ballast.

FLUORESCENTIELAMP: Bemerk de grote derde harmonische bij gebruik van een magnetische ballast. Bij de elektronische ballast is de derde harmonische kleiner, de vijfde wordt dan weer groter.

SPAARLAMP: Een spaarlamp (ook een fluorescentielamp) wordt veel gepromoot. Je kunt er energie mee besparen; ze verbruikt minder vermogen voor eenzelfde hoeveelheid licht. Je hebt dan wel de zelfdiscipline nodig ze niet meer te laten branden dan nodig!! Maar kijken we ook eens naar de opgenomen stroom.

SPAARLAMP: De stroom is allesbehalve sinusvormig.

SPAARLAMP: De stroom is allesbehalve sinusvormig. Een 20 W spaarlamp.

SPAARLAMP: De stroom is allesbehalve sinusvormig. Er zijn erg veel en grote harmonischen aanwezig in het spectrum. Een 20 W spaarlamp.

We zagen dus een aantal voorbeelden van verbruikers die het elektrisch net in min of meerdere mate vervuilen: - transformator + zelfinductie - (inductiemotor) - gelijkrichterbrug (enkelfasig en driefasig) - 12-pulsige gelijkrichter - fluorescentielamp - spaarlamp Wat zijn nu de gevolgen van dit alles?

Harmonischen in de netstroom Zijn er vragen??