Inleiding tot harmonischen:deel 1

Colin Hargis, hoofdingenieur bij Control Techniques, biedt een inleiding tot harmonischen in deze tweedelige blog. Deel twee is hier beschikbaar.

Deze blog is een inleiding tot het onderwerp harmonischen van elektrisch vermogen, met speciale aandacht voor frequentieregelaars. Het is bedoeld om in duidelijke bewoordingen uit te leggen wat ze zijn en wat ze doen, en ze te onderscheiden van andere elektromagnetische compatibiliteitseffecten (EMC), zoals radiofrequentie-interferentie en elektrische "ruis".

Voor de eenvoud gaan de voorbeelden meestal uit van een voedingsfrequentie van 50 Hz. Als u in een gebied werkt dat 60 Hz gebruikt, moet u de frequenties op de juiste manier schalen.

Inleiding tot harmonischen?

Een harmonische van een periodieke functie heeft een frequentie die een geheel veelvoud is van die van de functie (die de grondtoon is). In de elektrotechniek wordt dit idee voornamelijk gebruikt om het effect van niet-lineaire vermogensbelastingen te helpen begrijpen, waarbij de spanningsbron sinusvormig is maar de stroom vervormd is, hoewel nog steeds met dezelfde periode. Met behulp van het concept van de Fourier-reeks kunnen we een vervormde periodieke golfvorm weergeven als de som van een aantal harmonischen.

Een eenvoudige enkelfasige bruggelijkrichter trekt bijvoorbeeld een stroom die bestaat uit een reeks korte pulsen bij de spanningspieken, zoals weergegeven in figuur 1;

Figuur 1:Stroomgolfvorm voor eenvoudige enkelfasige bruggelijkrichter

De stroom kan worden geanalyseerd in zijn samenstellende frequenties. Het bestaat uit een reeks harmonischen van oneven-orde zoals weergegeven in figuur 2;

Figuur 2:Frequentieanalyse van stroom in Figuur 1

Het voordeel van deze analyse is dat het gedrag van elektrische componenten het gemakkelijkst te begrijpen en te definiëren is in termen van specifieke sinusoïdale frequenties.

In dit geval kun je bij een netfrequentie van 50 Hz zien dat de harmonische stromen tot ordes van ongeveer 30, d.w.z. 1500 Hz, behoorlijk aanzienlijk zijn. Verder worden ze snel kleiner. De harmonischen van de lagere orde van de orden 3, 5, 7 en 9 hebben een zeer hoge amplitude en zijn niet veel minder dan de grondtoon (50 Hz).

Als de negatieve en positieve halve cycli dezelfde vorm hebben, zijn alleen de oneven harmonischen aanwezig. In driefasige stroomcircuits zijn de triple-n-harmonischen (3, 6, 9, 12 etc.) ook afwezig, omdat ze cofasaal zijn en cophasale stromen worden geblokkeerd in een driedraads circuit.

Strikte definitie en werkdefinitie voor harmonischen. Interharmonischen.

Een echte harmonische kan alleen een frequentie hebben die een exact geheel veelvoud is van de grondtoon. De meeste eenvoudige niet-lineaire apparaten zoals gelijkrichters en magnetische componenten met ijzeren kern genereren echte harmonische stromen.

In moderne vermogenselektronische circuits die gebruik maken van actieve schakeling, die mogelijk niet gesynchroniseerd is met de voedingsfrequentie, kunnen nieuwe frequenties aanwezig zijn die geen echte harmonischen zijn. Zoals ik bijvoorbeeld heb geïllustreerd in blogs nummer 4 en 5 over regeneratieve aandrijvingen, genereert een omvormer die werkt met een schakelfrequentie van 4 kHz met een voeding van 60 Hz stromen met frequenties van 3880 Hz en 4120 Hz, evenals vele andere, die geen gehele veelvouden van 60 Hz en zijn daarom geen echte harmonischen. De juiste term hiervoor is Interharmonics . Het zijn nog steeds ongewenste frequenties en sommige van hun effecten zijn hetzelfde als voor harmonischen, dus in algemene discussie kunnen ze eenvoudigweg "harmonischen" worden genoemd. Dit kan voor verwarring zorgen, dus het is het beste om duidelijk te maken of we het hebben over echte harmonischen of allerlei soorten vervorming.

Welk effect hebben ze?

Opnieuw verwijzend naar figuren 1 en 2, hebben we een gelijkrichter aangesloten op de netvoeding. De voeding is sinusvormig en heeft een enkele frequentie van 50 Hz. De gelijkrichter genereert harmonische stromen die in de voeding vloeien. De gelijkrichter is een stroombron op de harmonische frequenties, die worden teruggestuurd naar de voeding en verspreid over het voedingssysteem. Figuur 3 illustreert dit. De harmonische stroom wordt uitgezonden door de belasting en veroorzaakt een harmonische spanning in de bronimpedantie van de voeding. De spanning wordt ervaren door andere stroomgebruikers die zijn aangesloten op hetzelfde gemeenschappelijke koppelingspunt (PCC).

Figuur 3:Voortplanting van harmonischen in het elektriciteitsnet

De harmonischen hebben frequenties variërend van 100 Hz tot ongeveer 2500 Hz (we stoppen meestal bij ongeveer 50, maar sommige autoriteiten kijken naar 100 of zelfs 200. De standaard voor harmonische metingen stopt bij 9 kHz). Het eerste interessante punt is dat dit zeer lage frequenties in het elektromagnetische spectrum zijn. Dit wordt geïllustreerd in het spectrum getoond in figuur 4;

Afbeelding 4:Vereenvoudigd elektromagnetisch spectrum dat de positie van vermogensharmonischen toont

Over het algemeen wordt aangenomen dat "radiofrequentie" begint bij 9 kHz, en in feite zijn er zeer weinig radiotoepassingen onder ongeveer 100 kHz vanwege de moeilijkheid om een ​​bruikbare elektromagnetische golf te genereren. Dit betekent dat de harmonischen zich niet als golven voortplanten en alleen door geleiding rond de bedrading van het voedingssysteem reizen. Ze veroorzaken geen interferentie door verdwaalde koppeling, alleen doordat ze via de stroomdraden naar andere apparatuur worden geleid. De reden dat ze moeten worden overwogen, is dat ze cumulatief zijn - dus één gelijkrichter in een tv-toestel heeft een minuscuul effect, maar wanneer miljoenen tv-toestellen tegelijkertijd werken, hebben hun harmonischen dezelfde frequentie en fase, zodat ze optellen in het stroomsysteem. Het algemene effect is dat de sinusvormige spanningsgolfvorm wordt vervormd. Figuur 5 illustreert het soort "flat top" vervorming veroorzaakt door gelijkrichters;

Afbeelding 5:Spanningsvervorming veroorzaakt door harmonischen van de gelijkrichter

Een matig niveau van harmonische stroom in het voedingssysteem is niet van belang, maar als het te hoog wordt, kunnen er problemen ontstaan. Enkele van de mogelijke effecten van overmatige harmonischen in het voedingssysteem worden hieronder vermeld. Dit zijn allemaal vrij ongebruikelijk, maar als ze zich voordoen, kunnen ze moeilijk en duur zijn om te corrigeren.

• Verhoogde verwarming van sommige frequentiegevoelige elektrische apparatuur, met name:
  • Condensatoren voor correctie van de arbeidsfactor
  • Inductiemotoren
  • Transformers
  • Generatoren (bijv. kleine lokale generatoren zoals noodstroomvoorzieningen)
• Akoestische ruis in transformatoren, stroomrails enz.
• Fouten in apparatuur die de netfrequentie gebruikt voor timing (worden nu ongewoon)
• Ongewenste activering van UPS-systemen die reageren op golfvormvervorming
• Ruisonderdrukking in analoge geluidssystemen, b.v. theater of kerk
• Ongewenste uitschakeling van beveiligingsrelais van het voedingssysteem, resulterend in uitval van de openbare voeding

Ernstige problemen met harmonischen zijn ongebruikelijk, behalve in nogal speciale gevallen. Een voorbeeld is een schip met een eigen generator met beperkt vermogen en een groot aantal aandrijvingen of andere gelijkrichters. De elektriciteitsbedrijven ervaren echter een opeenstapeling van harmonischen van de miljoenen kleine apparaten die in bedrijf zijn, en er zijn locaties waar de vijfde harmonische op de openbare stroomvoorziening zijn grenswaarde heeft.

"Ruis"

Merk op dat het effect van harmonischen niet het soort storing van elektronische circuits omvat dat in het algemeen wordt aangeduid als "elektrische ruis", wat de neiging heeft om te resulteren in ruis en trillingen in analoge aandrijfsystemen en/of datafouten in digitale datalinks. De redenen hiervoor zijn:

• De frequentie van de harmonischen is te laag voor significante strooikoppeling door inductie tussen aangrenzende elektrische circuits. De meeste elektrische interferentie wordt veroorzaakt door veel hogere frequenties die elektromagnetisch kunnen worden gekoppeld, of door de verdwaalde inductantie van aardverbindingen.

De harmonischen worden alleen in het stroomcircuit gepropageerd als stromen in seriemodus, d.w.z. ze reizen in de stroomgeleiders van het voedingssysteem en niet in de aardingsverbindingen. Hoogfrequente "ruis" bevindt zich meestal in de gewone modus, d.w.z. het reist in geleiders en het circuit wordt voltooid door de aarde (aarde). Zie figuur 6 voor een verdere uitleg;

Afbeelding 6:Seriemodus (a) en gewone modus (b) in een enkelfasig stroomcircuit

Harmonische gegevens:invoer en uitvoer, spanning en stroom

Drive-gebruikers vragen soms harmonische data op voor een drive. Er is enige kans op verwarring omdat ze kunnen verwijzen naar de ingang of de uitgang, en naar stroom of spanning. De onderstaande tabel geeft een overzicht van de gegevens die relevant zijn voor elke plaats.

Soms komt een verzoek om harmonische uitvoergegevens voort uit eerdere ervaring van een gebruiker met inverteraandrijvingen van vorige generaties die de quasi-kwadraattechniek gebruikten en de niet-triple-n-harmonischen van de werkfrequentie bevatten. Met PWM zijn de harmonischen verwaarloosbaar.

Om de tabel samen te vatten:de enige harmonische gegevens die kenmerkend zijn voor een bepaald aandrijfmodel, zijn de ingangsstroomgegevens. Dat moet op verzoek verkrijgbaar zijn bij de leverancier.

In deel 2 van het harmonischenblog zullen we bekijken hoe harmonischen worden gemeten en beoordeeld, hoe ze variëren met de belasting van de schijf en wat er kan worden gedaan als ze moeten worden verminderd.