Inleiding tot harmonischen:deel 2

In het tweede deel van deze miniserie kijkt Colin Hargis naar het effectieve beheer van harmonischen. Deel één is hier beschikbaar.

Harmonische metingen

Individuele harmonische stromen of spanningen kunnen worden gemeten en aangegeven in r.m.s. hoeveelheden. Vaak kunnen ze worden uitgedrukt als een percentage van de grondtoon. Het is heel gebruikelijk dat harmonische meetinstrumenten standaard harmonischen als een percentage geven.

Voorzichtigheid is geboden bij het beoordelen van harmonische gegevens, met name actuele gegevens. Als de fundamentele stroom laag is, omdat het belastingsvermogen laag is, zullen de harmonischen uitgedrukt als een percentage hoog lijken. Dit kan misleidend zijn. De gegevens die voor de schijf worden geleverd, hebben een bepaald laadvermogen. Bij verminderde belasting nemen de harmonische stromen in absolute waarde af, maar als percentage van de grondtoon nemen ze toe.

Dit wordt geïllustreerd in figuur 7. Figuur 7(a) laat zien hoe de huidige en grote harmonischen zoals de 5 ^de en 11 ^de toenemen naarmate het vermogen toeneemt. Afbeelding 7(b) laat zien hoe de hoofdharmonischen en de THD, uitgedrukt als een percentage van de grondtoon, afnemen naarmate het belastingsvermogen toeneemt.

Figuur 7:Variatie van stroom en harmonischen met belastingsvermogen, uitgedrukt als (a) absolute hoeveelheden en (b) % van fundamentele stroom

In een aandrijving kan dit met name misleidend zijn als de gebruiker niet beseft dat de ingangsstroom een ​​functie is van het vermogen, dat wil zeggen het product van koppel en snelheid op de as. Als een omvormer nominaal koppel levert bij verlaagde snelheid, kan het lijken alsof hij "hard werkt" omdat de uitgangsstroom dicht bij zijn maximale nominale vermogen ligt, en de invertertrap voert die stroom en produceert het verwachte vermogensverlies als warmte. De werkelijke stroomdoorvoer is echter laag, en dus zal de ingangsstroom ook laag zijn.

THD, VTHD, ITHD, vervormingsfactor en vermogensfactor

Een eenvoudige enkele parameter om het algehele effect van harmonischen te meten is de Total Harmonic Distortion, THD. Dit is de verhouding (in %) tussen de r.m.s. waarde van alle harmonischen samen en de grondtoon. Voor spanning en stroom kan dit respectievelijk VTHD en ITHD worden genoemd.

Ook hier moet voorzichtigheid worden betracht met ITHD, want bij verminderde belasting zal het hoog lijken.

In de energietechniek wordt de arbeidsfactor vaak gebruikt om de vermindering van het bruikbare vermogen te meten dat wordt overgebracht door een wisselstroom als deze niet in fase is met de spanning.

Wanneer stroom en spanning sinusvormig zijn, is dit gelijk aan cos o.

In aanwezigheid van harmonische stroom en ervan uitgaande dat de spanning sinusvormig blijft, kan de arbeidsfactor worden onderverdeeld in twee factoren:

Waar de vervormingsfactor de vermindering van de nuttige stroom meet die wordt veroorzaakt door vervorming:

En de verplaatsingsfactor meet de reductie veroorzaakt door de faseverschuiving:

De betekenis van deze factoren kan worden geïllustreerd aan de hand van een motor die ofwel direct vanaf het elektriciteitsnet ofwel met een aandrijving werkt:

De motor heeft dus in beide gevallen een zeer vergelijkbare arbeidsfactor, wat betekent dat de vollaststroom die uit het net wordt getrokken, erg vergelijkbaar is. Bij de motor alleen is de verhoogde stroom echter volledig omdat de stroom achterblijft bij de spanning in fase, terwijl dit bij de motor en de aandrijving voornamelijk is omdat er harmonische stroom is.

Vervormingsfactor en THD zijn alternatieve maten van het vervormingsniveau of totale harmonischen. Ze zijn gerelateerd aan de volgende functie:

(waarbij THD wordt uitgedrukt als een breuk, niet als procent)

Beheer van harmonischen. Harmonische stroomgegevens voor producten.

De elektriciteitsbedrijven hanteren regels om het elektriciteitssysteem en de stroomgebruikers te beschermen tegen overmatige harmonischen. Elke hoofdgebruiker is verantwoordelijk voor het naleven van de regels. In sommige regio's, zoals de Europese Unie, wordt de emissie van harmonischen door elektrische producten die in grote aantallen worden gebruikt, gereguleerd als onderdeel van de EMC-wetgeving. Dit betekent dat huishoudelijke en kleinzakelijke gebruikers geen bijzondere voorzieningen hoeven te treffen. Grote industriële gebruikers van gespecialiseerde apparatuur moeten er zelf voor zorgen dat hun harmonische emissie niet te groot is. Meestal worden de regels toegepast wanneer een nieuwe installatie wordt voorgesteld waarvoor een nieuwe stroomvoorziening van het nutsbedrijf nodig is, als voorwaarde voor het leveren van die stroomvoorziening.

De regels verschillen per land, maar de principes zijn hetzelfde. De belangrijkste fasen worden hier getoond:

• Het energiebedrijf moet er uiteindelijk voor zorgen dat de harmonische spanning in zijn voeding voldoet aan het acceptabele niveau. In de EU wordt de netvoedingskwaliteit bijvoorbeeld geregeld door een norm EN 50160. Over het algemeen wordt aan elke gebruiker een "budget" voor harmonische spanningen toegewezen. Zoals eerder uitgelegd, wordt de harmonische spanning veroorzaakt door de harmonische stroom die in wisselwerking staat met de voedingsimpedantie en de bestaande harmonischen, die uniek zijn voor elke locatie. Het vereist een aantal complexe berekeningen en metingen om het te voorspellen, wat niet te rechtvaardigen is voor typische industriële installaties.
• Daarom heeft het nutsbedrijf over het algemeen enkele vereenvoudigde regels waardoor harmonische stroom kan worden geaccepteerd tot een limiet, die kan afhangen van de capaciteit van de voedingsverbinding of de piek- of gemiddelde stroomvraag van de gebruiker. Het is veel eenvoudiger om stroom dan spanning te schatten, door de harmonische stroomgegevens op te tellen voor alle relevante apparatuur die op een bepaald voedingspunt is aangesloten. Om deze reden moeten professionele apparatuur zoals aandrijvingen die aanzienlijke harmonische stroom genereren, over de harmonische stroomgegevens voor de gebruiker beschikken. Control Techniques stelt deze gegevens voor al haar aandrijfproducten ter beschikking in de EMC-gegevensbladen die op aanvraag vrij verkrijgbaar zijn.
• Als voor een bepaalde installatie de stroom de toegestane limieten overschrijdt, moeten ofwel technische maatregelen worden genomen om deze te verminderen, of moet er een complexer onderzoek worden uitgevoerd om de harmonische spanning te beoordelen die door de installatie wordt veroorzaakt.
• Intussen, als alle apparatuur voldoet aan de geharmoniseerde normen in een interne markt zoals de EU, is geen van de hierboven beschreven werkzaamheden nodig.

Normen

Voor installaties hanteren veel nutsbedrijven hun eigen voorschriften, dus er zijn heel veel nationale normen. Een bijzonder bekende standaard is IEEE 519.

Netvoedingskwaliteitsnormen omvatten IEC 61000-2-4, die "compatibiliteitsniveaus" definieert die maximaal toegestane harmonische niveaus zijn, in dit geval voor industriële LV-voedingen. IEC-normen zijn niet verplicht, maar nutsbedrijven gebruiken vaak de limieten in de IEC-normen als uitgangspunt voor hun eigen regelgeving.

Voor eindproducten zijn er IEC-normen IEC 61000-3-2, voor apparatuur met een vermogen tot 16A per fase, en IEC 61000-3-12, voor maximaal 75A per fase. De Europese versies zoals EN 61000-3-12 zijn in feite verplicht voor eindproducten die in de EER op de markt worden gebracht.

Als een omvormer is ingebouwd in apparatuur die binnen de reikwijdte van een van deze normen valt, is het zeer waarschijnlijk dat deze een grote bijdrage levert aan de harmonische emissie. Voor Control Techniques-aandrijvingen is het noodzakelijk om kleine extra ingangssmoorspoelen te gebruiken om te voldoen aan EN 61000-3-12. Informatie wordt gegeven in de EMC-gegevensbladen.

Effect van belasting

Een veelvoorkomend probleem bij het controleren op harmonische conformiteit van machines die aandrijvingen bevatten, is de kwestie van het juiste nominale belastingsvermogen. We hebben klachten gehad over producten die niet door de test kwamen, waarbij bleek dat de testbelasting lager was dan de nominale belasting. Dit kan zijn omdat de applicatie niet de volledige capaciteit van de drive gebruikt, of omdat het niet mogelijk was om de machine volledig te laden in het EMC-testlaboratorium. Het is vaak moeilijk om een ​​realistische belasting te creëren in een testlab omdat machines vaak bedoeld zijn om te werken aan grote, vuile of moeilijke materialen die niet in het lab kunnen worden gebracht. Om ervoor te zorgen dat aan de vereiste norm wordt voldaan, moeten de volgende vereisten in acht worden genomen:

1. De extra ingangssmoorspoelen moeten worden geselecteerd om correct te zijn bij het beoogde maximale continue belastingsvermogen voor de toepassing, wat niet noodzakelijk het nominale vermogen van de omvormer is.
2. Er moet rekening worden gehouden met andere apparatuur die harmonischen genereert in de machine.
3. De belasting tijdens de test moet gelijk zijn aan de nominale belasting. Indien nodig moet een soort tijdelijke rem of ander laadapparaat in de testmal worden aangebracht.

Harmonen verminderen

Het natuurlijke niveau van harmonischen gegenereerd door een eenvoudige gelijkrichter kan veel worden verminderd door toevoeging van inductantie. Dit kan in de DC-tussenkring van de omvormer of in de AC-ingangslijnen. De meeste omvormers met een nominaal vermogen van meer dan ongeveer 2,2 kW gebruiken een driefasige voeding en bevatten smoorspoelen om de inductantie te leveren. Afbeelding 8 toont een typische stroomgolfvorm voor dit soort aandrijving. Je kunt zien dat de golfvorm veel beter is dan in figuur 1, hoewel deze verre van sinusoïdaal is. In dit geval is de ITHD ongeveer 50% en de slechtste harmonische is de vijfde met ongeveer 40%.

Afbeelding 8:Typische ingangsstroomgolfvorm voor omvormer met driefasige voeding en ingangssmoorspoelen.

Dit niveau van harmonischen is geschikt voor de meeste toepassingen met een vermogensbereik van 3 kW tot enkele honderden kilowatts. Voor gevoelige toepassingen en waar het totale aandrijfvermogen de capaciteit van de voeding begint te benaderen, kan het nodig zijn om de harmonischen verder te verminderen. De onderstaande tabel geeft de belangrijkste beschikbare technieken met enkele opmerkingen over hun relatieve voordelen.

Swingende chokes

Het gebruik van een "swinging choke" is door sommige aandrijvingsfabrikanten gepromoot. De swinging choke is een uitvinding uit de jaren 1920, waar het in sommige radiotoestellen werd gebruikt voor DC-afvlakking. De smoorspoel is ontworpen met een getrapte of geprofileerde luchtspleet, zodat naarmate de gelijkstroom toeneemt, een deel van het magnetische circuit verzadigd raakt en de inductantie afneemt. Het resultaat is dat bij lage stromen de inductantie wordt verhoogd, en dit helpt om het hierboven beschreven probleem tegen te gaan, namelijk het voldoen aan harmonische limieten over een reeks belastingsvermogens. Dit komt doordat de inductantiewaarde zich aanpast aan de belasting.

De zwaaiende smoorspoel kan de fabrikant van de aandrijving ten goede komen, omdat hierdoor de voorraad verschillende smoorspoelwaarden voor een verscheidenheid aan aandrijvingsclassificaties kan worden verminderd. Het kan de gebruiker ten goede komen doordat de omvormer bij verminderde belasting aan een harmonische norm kan voldoen zonder dat een extra choke nodig is. In de praktijk is het vrij moeilijk om een ​​slingerende choke te ontwerpen die over een breed belastingsbereik werkt, dus de echte voordelen zijn klein.