Geavanceerd harmonische beheer: Deel 2 – Effectieve strategieën & metingen

In het tweede deel van deze mini-serie kijkt Colin Hargis naar het effectieve beheer van harmonische. Deel één is hier beschikbaar.

Harmonische metingen

Individuele harmonische stromen of spanningen kunnen in r.m.s. grootheden gemeten en aangehaald worden. Vaak worden ze uitgedrukt als een percentage van de fundamentele. Het is zeer gebruikelijk voor harmonische meetinstrumenten om harmonische als percentage te geven, standaard.

Er moet voorzichtigheid worden betaald bij het beoordelen van harmonische data, met name stroomdata. Als de fundamentele stroom laag is, omdat het belastingvermogen laag is, zullen de harmonische uitgedrukt als percentage hoog lijken. Dit kan misleidend zijn. De data die voor de aandrijving wordt geleverd, zal bij een gedefinieerd belastingvermogen zijn. Bij verminderde belasting, dalen de harmonische stromen in absolute waarde, maar als percentage van de fundamentele nemen ze toe.

Dit wordt geïllustreerd in Figuur 7. Figuur 7(a) toont hoe de stroom en belangrijke harmonische zoals de 5^de en 11^de toenemen naarmate het vermogen toeneemt. Figuur 7(b) toont hoe de belangrijke harmonische en de THD, wanneer uitgedrukt als percentage van de fundamentele stroom, dalen naarmate het belastingvermogen toeneemt.

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

In een aandrijving kan dit bijzonder misleidend zijn als de gebruiker niet beseft dat de invoerstroom een functie is van het vermogen, dat is het product van koppel en snelheid aan de as. Als een aandrijving nominaal koppel levert bij verminderde snelheid, kan het lijken alsof het "hard werkt" omdat de uitgangstroom dicht bij zijn maximale nominal waarde is, en de inverter-trap die stroom draagt en het verwachte vermogensverlies als warmte produceert. Echter, het werkelijke doorgegeven vermogen is laag, en dus zal de invoerstroom ook laag zijn.

THD, VTHD, ITHD, Vervormingsfactor en Vermogensfactor

Een eenvoudige enkele parameter om het algehele effect van harmonische te meten is de Totale Harmonische Vervorming, THD. Dit is de verhouding (in %) tussen de r.m.s. waarde van alle harmonische samen, en de fundamentele. Voor spanning en stroom kan het worden aangeduid als VTHD en ITHD respectievelijk.

Opnieuw moet voorzichtigheid worden betaald met ITHD, omdat bij verminderde belasting het hoog zal lijken.

In de elektrotechniek wordt de vermogensfactor gemeenschappelijk gebruikt om de reductie in nuttig vermogen dat door een wisselstroom wordt overgebracht te meten als het niet in fase is met de spanning.

Wanneer stroom en spanning sinusoïdaal zijn, is dit gelijk aan cos φ.

In de aanwezigheid van harmonische stroom, en aannemend dat de spanning sinusoïdaal blijft, kan de vermogensfactor worden opgesplitst in twee factoren:

Waar de vervormingsfactor de reductie in nuttige stroom meet veroorzaakt door vervorming:

En de verschuivingsfactor de reductie meet veroorzaakt door de faseverschuiving:

De betekenis van deze factoren kan geïllustreerd worden door een motor te overwegen die ofwel direct van het net werkt, ofwel met een aandrijving:

Dus de motor heeft een zeer vergelijkbare vermogensfactor in beide gevallen, wat betekent dat de vollaststroom getrokken van het netvoorziening zeer vergelijkbaar is. Echter, met de motor alleen is de verhoogde stroom volledig omdat de stroom in fase achterloopt op de spanning, terwijl met de motor en aandrijving dit hoofdzakelijk is omdat er harmonische stroom is.

Vervormingsfactor en THD zijn alternatieve maten voor het niveau van vervorming, of totale harmonische. Ze zijn gerelateerd door de volgende functie:

(waarbij THD uitgedrukt is als een breuk, niet als percentage)

Beheer van harmonische. Harmonische stroomdata voor producten.

De elektriciteitsvoorzieningsbedrijven hanteren regels om het stroomsysteem en stroomgebruikers te beschermen tegen excessive harmonische. Elke stroomgebruiker is verantwoordelijk voor het waarborgen dat ze voldoen aan de regels. In sommige regio's zoals de Europese Unie, is emissie van harmonische van elektrische producten die in grote aantallen gebruikt worden, gereguleerd als onderdeel van de EMC-wet. Dit betekent dat huishoudelijke en kleine zakelijke gebruikers geen speciale voorzieningen hoeven te treffen. Grote industriële gebruikers van specialistische apparatuur moeten zelf waarborgen dat hun harmonische emissie niet excessief is. Meest algemeen worden de regels toegepast wanneer een nieuwe installatie wordt voorgesteld die een nieuwe stroomvoorziening van het nutbedrijf vereist, als voorwaarde voor het leveren van die voorziening.

De regels variëren tussen landen, maar de principes zijn hetzelfde. De belangrijkste stappen worden hier getoond:

• Het stroomnutbedrijf moet uiteindelijk waarborgen dat de harmonische spanning in zijn voorziening het acceptabele niveau bereikt. Bijvoorbeeld, in de EU wordt stroomkwaliteit geregeld door een standaard EN 50160. Over het algemeen wijst het een harmonische spanning "budget" toe aan elke gebruiker. Zoals eerder uitgelegd, wordt de harmonische spanning veroorzaakt door de harmonische stroom die interacteert met de voorzieningsimpedantie en de bestaande harmonische, die uniek zijn voor elke locatie. Het vereist enige complexe berekeningen en metingen om het te voorspellen, wat niet gerechtvaardigd is voor typische industriële installaties.
• Daarom heeft het nutbedrijf doorgaans enkele vereenvoudigde regels die harmonische stroom toestaan tot een limiet, wat kan afhangen van de capaciteit van de voorzieningsaansluiting, of de piek- of gemiddelde stroomvraag van de gebruiker. Het is veel eenvoudiger om stroom te schatten dan spanning, door de harmonische stroomdata voor alle relevante apparatuur verbonden met een bepaald voorzieningspunt op te tellen. Om deze reden moet professionele apparatuur zoals aandrijvingen die significante harmonische stroom genereren, de harmonische stroomdata beschikbaar hebben voor de gebruiker. Control Techniques levert deze data voor al zijn aandrijvingsproducten in de EMC-databladen die vrij beschikbaar zijn op verzoek.
• Voor een gegeven installatie, als de stroom de toegestane limieten overschrijdt, dan moeten ofwel technische maatregelen genomen worden om het te verminderen, ofwel een complexere onderzoek moet worden ondernomen om de harmonische spanning veroorzaakt door de installatie te beoordelen.
• Tegelijkertijd, als alle apparatuur voldoet aan geharmoniseerde standaarden in een enkele markt zoals de EU, is geen van het bovenstaande werk nodig.

Standaarden

Voor installaties, hanteren veel nutbedrijven hun eigen reglementen, dus er zijn heel veel nationale standaarden. Een bijzonder bekende standaard is IEEE 519.

Stroomkwaliteitsstandaarden omvatten IEC 61000-2-4, die "compatibiliteitsniveaus" definieert wat maximaal toegestane harmonische niveaus zijn, in dit geval voor industriële LV-voorzieningen. IEC-standaarden zijn niet verplicht, maar nutbedrijven gebruiken vaak de limieten gegeven in de IEC-standaarden als uitgangspunt voor hun eigen reglementen.

Voor eindproducten, zijn er IEC-standaarden IEC 61000-3-2, voor apparatuur tot 16A per fase, en IEC 61000-3-12, voor tot 75A per fase. De Europese versies zoals EN 61000-3-12 zijn in werking verplicht voor eindproducten op de markt gebracht in de EEA.

Als een aandrijving ingebouwd is in apparatuur die binnen het bereik van een van deze standaarden valt, dan is het redelijk waarschijnlijk een grote bijdrager aan de harmonische emissie. Voor Control Techniques aandrijvingen is het nodig om kleine additionele invoerdrossels te gebruiken om aan EN 61000-3-12 te voldoen. Informatie wordt gegeven in de EMC-databladen.

Effect van belasting

Een veelvoorkomend probleem bij het controleren op harmonische naleving van machines die aandrijvingen bevatten, is de kwestie van het correcte nominale belastingvermogen. We hebben klachten gehad van producten die de test faalden waar het uitkwam dat de testbelasting minder was dan de nominale belasting. Dit kan zijn omdat de toepassing niet de volledige capaciteit van de aandrijving gebruikt, of omdat het niet mogelijk was om de machine volledig te belasten in het EMC-testlaboratorium. Het is vaak moeilijk om een realistische belasting in een testlab te creëren omdat machines vaak bedoeld zijn om op grote, vuile of moeilijke materialen te werken die niet in het lab gebracht kunnen worden. Om te waarborgen dat de vereiste standaard gehaald wordt, moeten de volgende eisen worden nageleefd:

1. De additionele invoerdrossels moeten geselecteerd worden om correct te zijn bij de beoogde maximale continue belastingvermogen voor de toepassing, wat niet noodzakelijk de aandrijving-nominale waarde is.
2. Rekening moet worden gehouden met eventuele andere harmonische-genererende apparatuur in de machine.
3. De belasting tijdens de test moet gelijk zijn aan de nominale belasting. Indien nodig moet een soort tijdelijke rem of andere belastinginrichting in de testopstelling worden voorzien.

Harmonische verminderen

Het natuurlijke niveau van harmonische gegenereerd door een simpele gelijkrichter kan sterk verminderd worden door de toevoeging van inductie. Dit kan in de aandrijving DC-link of in de AC-invoelijnen zijn. Meeste aandrijvingen boven ongeveer 2,2 kW gebruiken een driefasenvoorziening en bevatten drossels om de inductie te leveren. Figuur 8 toont een typische stroomgolfform voor dit soort aandrijving. U ziet dat de golfform veel beter is dan in Figuur 1, hoewel het ver van sinusoïdaal is. In dit geval is de ITHD ongeveer 50% en de ergste harmonische is de vijfde bij ongeveer 40%.

Figuur 8: Typische invoerstroomgolfform voor aandrijving met driefasenvoorziening en invoerdrossels.

Dit niveau van harmonische is geschikt voor de meerderheid van toepassingen over een bereik van vermogens van 3 kW tot diverse honderden kilowatts. Voor gevoelige toepassingen, en waar het totale aandrijvingvermogen begint de capaciteit van de voorziening te benaderen, kan het nodig zijn om verdere reducties in harmonische aan te brengen. De onderstaande tabel geeft de belangrijkste beschikbare technieken met enkele notities over hun relatieve voordelen.

Zwaaiende drossels

Het gebruik van een "zwaaiende drossel" is door sommige aandrijvingsfabrikanten gepromoot. De zwaaiende drossel is een uitvinding uit de jaren '20, waar het in sommige radio-ontvangers voor DC-glaatting werd gebruikt. De drossel is ontworpen met een getrapte of geprofileerde luchtspeling zodat naarmate de DC-stroom toeneemt, een deel van het magnetische circuit verzadigt en de inductie daalt. Het resultaat is dat bij lage stromen de inductie verhoogd is, en dit helpt om het bovenstaande probleem te bestrijden, van het halen van harmonische limieten over een bereik van belastingvermogens. Dit is omdat de inductiewaarde zichzelf aanpast aan de belasting.

De zwaaiende drossel kan de aandrijvingsfabrikant ten goede komen, omdat het de voorraad van verschillende drosselwaarden voor een verscheidenheid aan aandrijving-nominale waarden kan verminderen. Het kan de gebruiker ten goede komen door de aandrijving toe te laten aan een harmonische standaard te voldoen bij verminderde belasting zonder een additionele drossel te vereisen. In de praktijk is het redelijk moeilijk om een zwaaiende drossel te ontwerpen die over een wijd belastingbereik werkt, dus de echte voordelen zijn klein.