Eliminatie van harmonischen in installaties

Eliminatie van harmonischen in installaties
Inhoudsopgave
Harmonischen ................................................................. 2
Definitie, oorsprong en typen harmonischen ........................................2
Gebruikelijke harmonische waarden ....................................................5
Effecten van harmonischen ..................................................................7
Eliminatie van harmonischen......................................... 12
Strategieën tegen harmonischen..........................................................12
Omgaan met harmonischen .................................................................12
Schneider Electric-oplossing voor het elimineren van harmonischen...13
AccuSine
Actieve harmonische spanningsregelaars ................... 15
AccuSine lijn van actieve harmonische spanningsregelaars ...............15
Procedure voor het implementeren van actieve spanningsregeling .....21
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 1
Harmonischen (vervolg)
Definitie, oorsprong en
typen harmonischen
Harmonischen
Harmonischen zijn sinusvormige stromen of spanningen met een frequentie die een
geheel meervoud (k) is van de frequentie van het verdelingssysteem, de
grondfrequentie (50 of 60 Hz).
In combinatie met respectievelijk de sinusvormige grondstroom of -spanning,
veroorzaken harmonische vervorming van de stroom- of spanningsgolflijn (zie fig.
3.1).
Harmonischen worden meestal aangeduid met Hk, waarbij k de harmonische
rangorde is.
• IHk of UHk geven het type harmonischen aan (stroom of spanning).
• IH1 of UH1 bepaalt de sinusvormige stroom of spanning bij 50 of 60 Hz die
aanwezig is als er geen harmonischen zijn (de grondstroom of -spanning).
H1 (50 Hz)
H3 (150 Hz)
H1 + H3
Fig. 3.1. Vervorming van H1 (grondstroom) door H3 (harmonische van de derde rangorde).
Niet-lineaire belastingen vormen de oorzaak
Apparatuur waarbij vermogenselektronica is geïmplementeerd vormt de
hoofdoorzaak van harmonischen. Om de elektronica van gelijkstroom te voorzien,
beschikt de apparatuur over een stroomvoorziening met schakelmodus en een
gelijkrichter bij de invoer die harmonische stromen gebruikt.
Voorbeelden zijn computers, aandrijvingen met variabele snelheid, enz.
Andere belastingen vervormen de stroom als gevolg van hun werkingsprincipe, en
veroorzaken zo ook harmonischen.
Voorbeelden zijn TL-lampen, ontladingslampen, lasapparaten en toestellen met een
magneetkern die verzadigd kan raken.
)Alle belastingen die de normale sinusvormige stroom vervormen, veroorzaken
harmonischen en worden niet-lineaire belastingen genoemd.
TL-lamp.
Aandrijving met variabele
snelheid.
Fig. 3.2. Voorbeelden van niet-lineaire belastingen die harmonischen veroorzaken.
PC.
Lineaire en niet-lineaire belastingen
Netstroom levert een sinusvormige spanning van 50/60 Hz aan belastingen. De
huidige golflijn die door de bron wordt geleverd als reactie op de behoeften van de
belasting is afhankelijk van het type belasting.
Lineaire belastingen
De afgenomen stroom is sinusvormig en heeft dezelfde frequentie als de spanning.
De stroom kan een faseverschuiving vertonen (hoek ϕ) ten opzichte van de
spanning.
• De wet van Ohm definieert een lineaire relatie tussen de spanning en de stroom (U
= ZI) met een constante coëfficiënt, de belastingsimpedantie. De relatie tussen de
stroom en de spanning is lineair.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 2
Harmonischen (vervolg)
Voorbeelden zijn normale gloeilampen, verwarmingselementen,
weerstandsbelastingen, motoren, transformators.
• Dit type belasting bevat geen actieve elektronische componenten, alleen
weerstanden (R), inductoren (L) en condensators (C).
Niet-lineaire belastingen
• De stroom die wordt afgenomen door de belasting is periodiek, maar niet
sinusvormig. De golflijn van de stroom wordt vervormd door de harmonische
stromen.
• De wet van Ohm die de relatie definieert tussen de totale spanning en stroom (1)
geldt niet meer omdat de impedantie van de belasting over één periode varieert (zie
fig. 3.3). De relatie tussen de stroom en de spanning is niet lineair.
• De stroom die wordt opgenomen door de belasting is in feite een combinatie van:
- een sinusvormige stroom (ook wel de grondstroom genoemd) met een frequentie
van 50 of 60 Hz,
- harmonischen. Dit zijn sinusvormige stromen met een kleinere amplitude dan die
van de basisfrequentie, maar met een frequentie die een veelvoud is van de
basisfrequentie en die de harmonische rangorde definieert (de harmonische van de
derde rangorde heeft bijvoorbeeld een frequentie van 3 x 50 Hz (of 60 Hz)).
(1) De wet van Ohm is van toepassing op elke spanning en stroom van dezelfde harmonische
rangorde, Uk = Zk Ik, waarbij Zk de belastingsimpedantie is voor de gegeven rangorde, maar
geldt niet meer voor de totale spanning en stroom.
Î Lineaire belastingen, niet-lineaire belastingen, zie Hfdst. 1 p. 11 "Stroomkwaliteit
van UPS".
Een voorbeeld is RCD-belastingen
(Weerstand, Condensator, Diode) die terug te
vinden zijn in het merendeel van de
stroomvoorzieningen voor elektronische
apparaten.
● De condensator C laadt, bij stationaire
toestanden, alleen wanneer de momentele
netspanning hoger is dan de spanning op de
contacten.
● Vanaf dat punt, is de belastingsimpedantie
laag (diode ingeschakeld). Daarvoor, was de
impedantie hoog (diode uitgeschakeld).
● De impedantie van een niet-lineaire
belasting varieert dus afhankelijk van de
spanning op de contacten.
● De impedantie is niet constant en de
spanning en stroom zijn niet meer
sinusvormig.
● De vorm van de stroom is complexer en kan
met behulp van de Stelling van Fourier wordt
uitgedrukt door het volgende toe te voegen:
- een stroom met dezelfde frequentie f als de
spanning, de grondfrequentie genoemd,
- andere stromen met frequenties kf (k is een
geheel getal > 1) harmonischen genoemd.
● De figuur biedt enig idee van de
belastingsstroom met slechts twee
harmonische rangorden, IH3 en IH5.
Fig. 3.3. Spanning en stroom voor niet-lineaire belastingen.
Typen harmonischen en specifieke aspecten van
harmonischen met nulsequentie
Typen harmonischen
Niet-lineaire belastingen veroorzaken drie typen harmonische stromen, allemaal in
oneven rangorden (omdat de sinusvormige een 'oneven' functie is).
• Harmonischen H7 - H13 - …. : positieve sequentie.
• Harmonischen H5 - H11 - …. : negatieve sequentie.
• Harmonischen H3 - H9 - …. : nulsequentie.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 3
Harmonischen (vervolg)
Specifieke aspecten van harmonischen met nulsequentie (H3 en
veelvouden)
Harmonische stromen met nulsequentie (H3 en oneven veelvouden, geschreven als
3(2k+1) waarbij k een geheel getal is) in driefasige systemen worden opgeteld in de
nulgeleider.
Dat komt omdat hun rangorde 3(2k+1) een veelvoud is van het aantal fasen (3), wat
betekent dat ze overeenkomen met de verschuiving (eenderde van een periode) van
de fasestromen.
Figuur 3.4 illustreert dit verschijnsel gedurende één periode. De stromen van de drie
fasen zijn eenderde van een periode verschoven (T/3), dus de respectieve IH3
harmonischen zijn in fase en de onmiddellijke waarden worden opgeteld. Dus:
• Wanneer er geen harmonischen zijn, is de stroom in de nulleider gelijk aan nul:
IN = I1+I2+I3 = 0
• Wanneer er wel harmonischen zijn, is de stroom in de nulleider gelijk aan:
I1 + I2 + I3 = 3 IH3 .
Daarom is het nodig om bijzondere aandacht te schenken aan dit type harmonischen
in installaties met een gedistribueerde nulleider (commerciële en
infrastructuurtoepassingen).
Fig. 3.4. Harmonischen van de derde rangorde en hun veelvouden worden opgeteld in de
nulleider.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 4
Harmonischen (vervolg)
Fig. 3.5. Wanneer er H3-harmonischen zijn en hun oneven veelvouden, is de stroom in de
nulleider niet meer gelijk aan nul, het is de som van de harmonischen met nulsequentie.
Gebruikelijke
harmonische waarden
Zie WP 17 Î
De harmonische analyse van een niet-lineaire stroom bestaat uit het vaststellen:
• van de harmonische rangorden in de stroom,
• van het relatieve belang van elke harmonische rangorde.
Hieronder staan enkele karakteristieke harmonische waarden en fundamentele
relaties die in harmonische analyse worden gebruikt.
Î Voor meer informatie over harmonischen, zie Hfdst. 5 en de uitleg in White Paper
nr. 17 "Understanding Power Factor, Crest Factor and Surge Factor".
Rms-waarde van harmonischen
Het is mogelijk om de rms-waarde van elke harmonische rangorde te meten omdat
de verschillende harmonische stromen sinusvormig zijn, maar met verschillende
frequenties die veelvouden zijn van de grondfrequentie.
• IH1 is de grondcomponent (50 of 60 Hz).
• IHk is de harmonische component waarbij k de harmonische rangorde is (k keer 50
of 60 Hz).
Harmonische analyse wordt gebruikt om de waarde vast te stellen.
Totale rms-stroom
Irms = IH12 + IH22 + IH3 2 + ... + IHk 2 + ...
Afzonderlijke harmonischen
Elke harmonische wordt uitgedrukt als een percentage, dat wil zeggen de
verhouding van de rms-waarde tot de rms-waarde van de grondfrequentie. De
verhouding is het niveau van de afzonderlijke harmonische.
IH
Hk% = vervorming van harmonische k = 100 k
IH1
Vervorming van spannings- en stroomharmonische
Niet-lineaire belastingen veroorzaken harmonischen in zowel spanning als stroom.
Dit komt omdat voor elke harmonische van een belastingsstroom, er een
harmonische is voor de voedingsspanning, met dezelfde frequentie. Daarom wordt
de spanning ook vervormd door harmonischen.
De vervorming van een sinusgolf wordt uitgedrukt als een percentage:
rms value of all harmonics
THD* % = totale vervorming = 100
rms value of fundamental
* Total Harmonic Distortion (totale harmonische vervorming).
De volgende waarden zijn gedefinieerd:
• TDHU % voor de spanning, op basis van de spanningsharmonischen,
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 5
Harmonischen (vervolg)
• TDHI % voor de stroom, op basis van de stroomharmonischen.
De THDI (of de THDU met gebruik van de UHk-waarden) wordt gemeten met behulp
van de vergelijking:
THDI % = 100
IH22 + IH3 2 + IH4 2 + ... + Hk 2 + ...
IH1
Topwaarde
De topfactor (Fc), die wordt gebruikt om de vorm van het signaal te karakteriseren
(stroom of spanning), is de verhouding tussen de piekwaarde en de rms-waarde.
peak value
Fc =
rms value
Hieronder staan veelvoorkomende waarden voor verschillende belastingen:
• lineaire belasting: Fc = 2 = 1,414
• mainframe: Fc = 2 tot 2,5
• microcomputers: Fc = 2 tot 3.
Spectrum van de harmonische stroom
Het definiëren van het spectrum van een harmonische stroom bestaat uit het
vaststellen van de golfvorm van de stroom en de afzonderlijke harmonischen, en ook
het vaststellen van bepaalde waarden zoals de THDI en Fc.
Afzonderlijke harmonischen
H5 = 33 %
H7 = 2.7 %
H11 = 7,3%
H13 = 1.6 %
H17 = 2.6 %
H19 = 1.1 %
H23 = 1.5 %
H25 = 1.3 %
THDI = 35%
Fc = = 1,45
Ingangsstroom van een driefasige gelijkrichter.
Harmonisch spectrum en overeenkomstige
THDI.
Fig. 3.6. Harmonisch spectrum van de stroom die wordt opgenomen door een niet-lineaire
belasting.
Vermogensfactor
Vermogensfactor
De vermogensfactor is de verhouding tussen het actieve vermogen (kW) en het
schijnbare vermogen S (kVA) langs de contacten van een gegeven niet-lineaire
belasting.
P (kW )
λ=
S (kVA )
Het is niet de faseverschuiving tussen de spanning en de stroom, omdat deze niet
meer sinusvormig zijn.
Verschuiving tussen de grondstroom en spanning
De faseverschuiving ϕ1 tussen de grondstroom en spanning, beide sinusvormig, kan
worden gedefinieerd als:
P1 (kW )
cos ϕ1 =
S1 (kVA )
waarbij P1 en S1 respectievelijk het actieve en reactieve vermogen zijn,
overeenkomstig met de grondwaarden.
Vervormingsfactor
De vervormingsfactor wordt gedefinieerd als:
1
v = 1 − 1+THDI
2 =
λ
cos ϕ1
(zoals gedefinieerd door IEC
60146).
Wanneer er geen harmonischen zijn, is deze factor gelijk aan 1 en is de
vermogensfactor gewoon de cos ϕ.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 6
Harmonischen (vervolg)
Power
Lineaire belasting
Langs de contacten van een gebalanceerde, driefasige lineaire belasting, voorzien
van fase-naar-fase spanning U en een stroom I, waarbij de verschuiving tussen U en
I ϕis, zijn de vermogenswaarden:
• P schijnbaar = S = UI, in kVA,
• P actief = S cos ϕ, in kW,
• P reactief = Q = S sin ϕ, in kVAr,
S=
P2 + Q2
Niet-lineaire belastingen
Op de terminals van een niet-lineaire belasting is de vergelijking voor P veel
ingewikkelder, omdat U en I harmonischen bevatten. Het kan echter eenvoudig
worden uitgedrukt als:
• P = S λ (λ = vermogensfactor)
Voor de grondwaarden U1 en I1, verschoven door ϕ1:
• P schijnbare grondfrequentie = S1 = U1 I1 3
• P actieve grondfrequentie = P1 = S1 cos ϕ1
• P reactieve grondfrequentie Q1 = S1 sin ϕ1
S = P12 + Q12 + D2
Effecten van
harmonischen
) In elektrische apparaten produceren
harmonischen geen actief noch
reactief vermogen, alleen verliezen via
het Joule-effect (ri2).
Zie WP 26 Î
Schneider Electric
waarbij D het vervormende vermogen is, vanwege de
harmonischen.
Verlies van schijnbaar vermogen
Figuur 3.7 laat zien dat het product van een spanning op de grondfrequentie zonder
harmonischen vermenigvuldigd met een derde harmonische stroom, nul is aan het
einde van een periode. Dit is het geval ongeacht de fase en rangorde van de
harmonische.
Dit wordt uitgedrukt door de relatie S = P12 + Q12 + D2
Een deel van het schijnbare vermogen wordt verbruikt door de harmonischen,
zonder effect.
• In roterende machines is het resulterende koppel van de motor gelijk aan nul en
bestaat er slechts een parasitair pulserend koppel dat vibraties veroorzaakt.
• Het enige actieve vermogen dat aanwezig is tijdens een spanningsval, is de
verhitting die wordt geproduceerd door de harmonische stroom (Ihk) in een geleider
met een weerstand r (r IHk2).
Î Zie White Paper nr. 26 “Hazards of Harmonics and Neutral Overloads” voor meer
informatie.
Editie 09/2015
p. 7
Harmonischen (vervolg)
Fig. 3.7. U x I producten voor basisfrequenties (boven) en voor basisfrequenties met
harmonischen (onder).
) Temperatuurstijging vanwege
Temperatuurstijging in kabels
harmonische stromen verergert de
temperatuurstijging die er al was door
de grondstroom.
Temperatuurstijging in kabels wordt uitgedrukt als:
∞
Verliezen = r
∑ IHn
2
n =1
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 8
Harmonischen (vervolg)
) De nulleider moet vergroot worden
om rekening te houden met de
harmonische stromen van de derde
rangorde en hun veelvouden.
Stroom in de nulleider
Alle harmonische stromen van de derde rangorde en hun oneven veelvouden
worden opgeteld in de nulleider (zie fig. 3.8). De stroom in de nulleider kan 1,7 keer
zo hoog zijn als in de fasen.
Gevolgen
Aanzienlijke verliezen in de nulleider
r Inulleider2 = temperatuurstijging in de nulleider.
Fig. 3.8. Harmonischen van de derde rangorde en hun veelvouden worden opgeteld in de
nulleider.
Zelfvervuilende belastingen
) Spanningsvervorming weerspiegelt de
vervorming van de stroom en neemt toe
met de som van de impedanties
stroomopwaarts van de niet-lineaire
belasting.
Stroomvervorming THDI, veroorzaakt door de belasting, resulteert in
spanningsvervorming THDU die wordt veroorzaakt door de harmonische stromen die
door de verschillende impedanties vloeien van de bron af stroomafwaarts. Figuur 3.9
toont de verschillende vormen van vervorming door een gewone elektrische
installatie.
Fig. 3.9. Effecten van harmonischen overal in de installatie.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 9
Harmonischen (vervolg)
Risico van defect raken van condensator
) Samengevat kan gesteld worden
dat hoe hoger de inhoud van
componenten met een hoge rangorde
in de spanning, hoe slechter de
situatie is voor de condensator. Het is
vaak nodig om versterkte
condensators te gebruiken.
De waarde van een stroom in een condensator is gelijk aan:
.I = U C ω
Voor een harmonische stroom van rangorde k, is de hoekfrequentie gelijk aan ω = 2π
k f, en is de stroom gelijk aan:
.I = 2 π k f U C
waarbij f = de grondfrequentie en k = de harmonische rangorde.
Het volgt dat de waarde van de stroom stijgt met k.
Daarnaast is er voor een harmonische frequentie tevens resonantie (1) van de
condensator (capacitantie C) met een zelfde inductiviteit (L) van de bron
(transformator, in wezen inductief) in parallel met die van de overige gevoede
belastingen. Dit resonantiecircuit (zie fig. 3.10) zorgt voor een aanzienlijke
versterking van de harmonische stroom van de corresponderende rangorde,
waarmee de situatie voor de condensator verslechtert.
(1) Dit is het geval indien, voor een harmonische rangorde k, met een frequentie fk = k x 50 (of
2
60) Hz, LC ωk ˜ 1, waarbij ω= 2 π fk.
IH
Source
impedance
(transformer) in
parallel with that
of other loads
supplied
harmonic
currents
L
resonant
LC circuit
C
All
non-linear
loads
Fig. 3.10. Effecten van harmonischen met condensators, risico voor resonantie.
Gevolgen
• Risico van defect raken van condensator.
• Risico van resonantie vanwege de aanwezigheid van de inductoren.
Bepaalde beperkingen moeten worden gerespecteerd:
• U max = 1,1 Un
• I max = 1,3 In
• THDU max = 8%
• Selectie van condensatortype, afhankelijk van de situatie, bijv. standaard, klasse h
(versterkte isolatie), met harmonische inductoren.
Reductie van transformators
) Over het algemeen resulteren
harmonischen in reductie van de bron
die omgekeerd evenredig is aan de
belastingvermogensfactor,
bijvoorbeeld hoe lager de
vermogensfactor, hoe meer de bron
moet worden gereduceerd.
Een aantal effecten wordt gecombineerd:
• vanwege het wandeffect, neemt de weerstand van een transformatorspoel toe met
de rangorde van de harmonischen,
• uitval vanwege hysterese is proportioneel aan de frequentie,
• uitval vanwege Foucault-stromen is proportioneel aan de wortel van de frequentie.
Gevolgen
) In overeenstemming met de NFC 52-114-norm moeten transformatoren worden
gereduceerd door het toepassen van een coëfficiënt k aan het nominaal vermogen,
zodat:
k=
1
n= ∞
∑H n
2 1,6
n
1 + 0,1
n=2
Dit is een empirische vergelijking.
Overige nationale normen raden aan te reduceren met een vergelijkbare k-factor die
afhankelijk is van het land (bijv. BS 7821 deel 4, IEE 1100-1992).
Voorbeeld
Een 1000 kVA-transformator levert een zes-puls bruggelijkrichter die de volgende
harmonischen belast:
H5 = 25%, H7 = 14%, H11 = 9%, H13 = 8%.
De reductiecoëfficiënt is k = 0,91.
Het schijnbaar vermogen van de transformator is daarom 910 kVA.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 10
Harmonischen (vervolg)
Risico van verstorende generators
) Praktisch gezien, mag de THDI van
de stroom in de generator niet hoger
zijn dan 20%. Daarboven is reductie
noodzakelijk.
Net als transformators, lijden generatoren aan uitval vanwege hysterese en
Foucault-stromen.
• De subtransiente reactantie X"d stijgt als functie van de frequentie.
• Het "harmonisch" roterende veld drijft de rotor aan op een andere frequentie dan
de synchronismefrequentie (50 of 60 Hz).
Gevolgen
• Aanmaak van parasitaire koppel, resulterend in lagere efficiëntie van de conversie
van mechanisch naar elektrisch.
• Meer verlies in de inductorspoelen en de rotordemper.
• Aanwezigheid van trilling en abnormaal geluid.
Verlies in asynchrone motoren
Harmonischen produceren de volgende effecten in asynchrone motoren:
• toename in Joule- en ijzerverlies (statorverlies),
• pulserend koppel (rotorverlies met een afname in mechanische efficiëntie).
) De THDU moet minder zijn dan 10% om deze verschijnselen te beperken.
Effecten op andere apparatuur
Harmonischen kunnen ook de werking van de volgende apparatuur verstoren:
• niet-rms trip-units, met onbedoelde onderbreking van stroomonderbrekers,
• automatische telefooncentrales,
• alarmen,
• gevoelige elektronische apparatuur,
• afstandsbediende systemen.
Effect op recente UPS-systemen
Moderne UPS-systemen hebben hoge afsnijdfrequenties (PWM) en een zeer lage
uitgangsimpedantie (gelijk aan een transformator die vijf keer krachtiger is).
Geconfronteerd met niet-lineaire belastingen, bieden deze UPS'en:
• beperkte verliezen,
• stroombeperkende werking,
• zeer lage spanningsvervorming (THDU < 3%).
) UPS'en zijn een uitstekende manier om niet-lineaire belastingen te leveren.
Conclusie
Harmonischen kunnen een schadelijk effect hebben op elektrische installaties en op
de werkingskwaliteit.
Daarom vereisen internationale normen steeds nauwkeurigere harmonische
compatibiliteitsniveaus voor apparatuur en het instellen van limieten voor de
harmonische inhoud op openbare distributiesystemen.
Î Normen voor harmonischen, zie Hfdst. 5 p. 28 "UPS-standaarden".
Op de volgende pagina's vindt u een presentatie van de verschillende strategieën
met betrekking tot harmonischen en het nut van AccuSine actieve harmonische
spanningsregelaars.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 11
Eliminatie van harmonischen (vervolg)
Strategieën tegen
harmonischen
Er zijn twee strategieën:
• accepteer en ga om met harmonischen, wat in feite betekent dat het noodzakelijk
is grotere apparaten te gebruiken om rekening te houden met de effecten van
harmonischen,
• harmonischen, geheel of gedeeltelijk, uitschakelen met behulp van filters of actieve
harmonische spanningsregelaars.
Omgaan met
harmonischen
Extra grote apparatuur
Zie WP 38 Î
Gezien het feit dat de negatieve effecten van harmonische stromen toenemen met
de cumulatieve impedantie van kabels en bronnen, is de meest voor de hand
liggende oplossing het beperken van de totale impedantie om zowel
spanningsvervorming als temperatuurstijging te verminderen.
Figuur 3.11 toont de resultaten wanneer dwarsdoorsneden van kabels en het
nominaal vermogen van de bron zijn verdubbeld.
Gezien het feit dat de THDU primair afhankelijk is van het inductieve onderdeel en
dus van de lengte van de kabels, is het duidelijk dat deze oplossing niet erg effectief
is en eenvoudigweg resulteert in het beperken van een temperatuurstijging.
Figuur 3.12 toont dat voor de sterkste harmonische stromen (H3 tot H7), de Lω/Rverhouding gelijk is aan 1 voor kabels met een dwarsdoorsnede van 36 mm².
Daarom is het bij een dwarsdoorsnede hoger dan 36 mm² nodig om de impedantie te
verlagen met behulp van meerkernige kabels, om parallelle impedanties te
verkrijgen.
Î Voor datacentra, zie “Harmonische stromingen in het datacentrum: Een
praktijkgeval”.
Fig. 3.11. Verhoogde kabeldwarsdoorsneden om vervorming en verliezen te beperken.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 12
Eliminatie van harmonischen (vervolg)
Fig. 3.12. Invloed van kabeldwarsdoorsneden op L ω/R.
Schneider Electric-oplossing
voor het elimineren van
harmonischen
Er zijn verschillende soorten oplossingen voor het uitschakelen van harmonischen.
Î Filters, zie Hfdst.1 p. 27 “ Selectie van een filter” .
Passieve filters
LC-passieve filters worden afgestemd op de frequentie die eliminatie of begrenzing
van een reeks frequenties vereist. Harmonische recombinatiesystemen (dubbele
brug, faseverschuiving) kunnen ook in deze categorie worden onderverdeeld.
• Op verzoek kan Schneider Electric dit type filter in haar oplossingen integreren.
Passieve filters hebben twee grote nadelen:
• eliminatie van harmonischen is alleen effectief voor een specifieke installatie, bijv.
het toevoegen of verwijderen van belastingen kan het filtersysteem ontregelen,
• het is vaak moeilijk om ze door te voeren in een bestaande installatie.
Actieve filters / actieve harmonische spanningsregelaars
Actieve filters, ook wel actieve harmonische spanningsregelaars zoals AccuSine
genoemd, annuleren harmonischen door middel van het injecteren van exact gelijke
stromen wanneer deze zich voordoen. Dit type filter reageert in real-time (ofwel
actief) op de bestaande harmonischen om deze te elimineren. Effectiever en
flexibeler dan passieve filters voorkomen zij de nadelen en bieden ze juist een
oplossing die:
• betere prestaties oplevert (totale eliminatie van alle harmonischen is mogelijk, tot
aan de 50ste rangorde),
• flexibel, aanpasbaar (actie kan worden geconfigureerd) en herbruikbaar is.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 13
Eliminatie van harmonischen (vervolg)
Tabel met opsomming van de mogelijke strategieën tegen harmonischen
Strategie
Voordelen
Omgaan met harmonischen
Vermindering van
Toename van de
vermogens van bronnen voeding naar THDU
door het verlagen van
en/of de
de bronimpedantie.
dwarsdoorsneden van
Vermindering van
kabels
Joule-verlies.
Schneider Electric-oplossingen
Nadelen
Moeilijk in bestaande oplossing. Dure oplossing
beperkt tot het reduceren van het
weerstandscomponent voor kleine dwarsdoorsneden
(de inductiviteit blijft constant).
Vereist parallelle kabels voor grote dwarsdoorsneden.
Voorkomt geen storingen stroomopwaarts van de
installatie. Voldoet niet aan de normen.
Speciale voeding voor
Beperkt storingen aan Hetzelfde als hierboven.
niet-lineaire belastingen. naastgelegen
belastingen door
middel van
ontkoppeling.
Harmonischen deels elimineren
Eenvoudige oplossing. Slechts voor een of twee harmonische rangordes.
Afgestemde passieve
filters.
Breedbandfilters zijn niet erg effectief. Kans op
resonantie. Dure ontwerpkosten zijn noodzakelijk.
Reductie in
Toename in THDU langs de contacten van de
Inductoren
stroomopwaarts van de harmonische stromen. belasting.
niet-lineaire belastingen. Beperkt de effecten
van tijdelijke
overspanningen.
Eliminatie van alleen bepaalde harmonische
Speciale transformators.
rangorden. Niet-standaard constructie.
Harmonischen volledig elimineren
Actieve harmonische
Eenvoudige en
Totale eliminatie van alle harmonischen is mogelijk (tot
ste
spanningsregelaars.
flexibele oplossing.
aan de 25 rangorde), instelbaar (actie
configureerbaar) en herbruikbaar systeem.
Schneider Electric
Editie 09/2015
Bereik van passieve filters
Inclusief oplossingen voor dubbele
brug en faseverschuiving
AccuSine
actieve spanningsregelaars
p. 14
AccuSine
Actieve harmonische spanningsregelaars
AccuSine
actieve harmonische
spanningsregelaars
Kenmerken van AccuSine
AccuSine actieve harmonische spanningsregelaars
AccuSine actieve harmonische spanningsregelaars bieden een meer algemene
aanpak voor het probleem met harmonischen. Deze actieve filters zijn niet alleen
bedoeld voor een UPS-eenheid, maar zijn ook ontworpen om harmonischen in de
volledige installatie te elimineren.
AccuSine is met name geschikt voor industriële en infrastructuurtoepassingen met
een gemiddeld stroomverbruik en biedt spanningsregelaarstromen van 20 tot 480 A
in driefasige systemen met een nulleider.
Deze oplossingen worden in de volgende sectie uitgelegd.
De onderstaande tabel bevat een opsomming van de belangrijkste kenmerken.
Bereik
AccuSine
Vermo
gensni
veau
20 tot
480 A
50/60 Hzsystemen
Belangrijkste
kenmerken
Toepassingen
380 tot 415
V
3 Ph+N
en 3 Ph
● Filteren tot H25
● Digitale actieve
Filteren van
commerciële,
infrastructuur- en
industriële
systemen met een
gemiddeld
stroomverbruik,
3Ph+N en 3 Ph,
enkelfasige
belastingen
spanningsregeling met:
- analyse en
spanningsregeling van
afzonderlijke rangorden
- reactietijd 40 ms voor
fluctuerende belastingen
Voordelen van AccuSine actieve harmonische
spanningsregeling
• Breedbandoplossing van H2 t/m H25 met afzonderlijke spanningsregeling voor
elke fase.
• Het is mogelijk om afzonderlijke harmonische rangorde te selecteren voor
spanningsregeling.
• Geen risico voor overbelastingen, spanningsregelingslimieten tot aan maximum
nominaal vermogen, zelfs als het belastingsvermogen het nominaal vermogen
overschrijdt.
• Automatische aanpassing aan alle typen belastingen, enkelfasig en driefasig.
• Compatibel met alle aardingssystemen.
• Vermogensfactorcompensatie.
• Voordelig, wanneer harmonischen worden gehalveerd, dalen verliezen maal vier.
• Kan worden hergebruikt in andere installaties.
• Upgrade mogelijk met parallel aangesloten eenheden.
• Zeer compact.
• Eenvoudige installatie, met transformatoren stroomopwaarts en stroomafwaarts.
Werkingsprincipe
De bron levert exclusief het fundamentele onderdeel (IF) van de belastingsstroom.
De actieve spanningsregelaar meet in real-time de harmonischen (IH) die worden
aangetrokken door de belasting en levert ze.
Stroomopwaarts van punt A, waar de spanningsregelaar is aangesloten, wordt de
grondstroom IF niet gewijzigd, stroomafwaarts trekt de belasting de niet-lineaire
stroom IF + IH.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 15
AccuSine
Actieve harmonische spanningsregelaars
IF
IF + IH
A
Source
Injection of
compensation
current
Non-linear
load
IH
Active harmonic
conditioner
Measurement
of load
harmonics
Fig. 3.13. Harmonische spanningsregeling door AccuSine.
Werkingsmodi
Digitale modus, spanningsregeling van afzonderlijke rangorden
De basis bedieningsmodus van AccuSine is digitaal, met een stroomsensor,
analoge/digitale conversie van de stroommeting en real-time berekening van het
harmonische spectrum. Deze informatie wordt geleverd aan de inverter ter
compensatie van de afzonderlijke harmonische rangorden.
De reactietijd voor fluctuerende belastingen is 40 ms (twee cycli).
Werkingsdiagram
De stroom vereist voor spanningsregeling wordt afgenomen van het driefasige
verdelingssysteem en opgeslagen in de inductor L, en de condensatoren worden
opgeladen tot respectievelijk +Vm en -Vm (zie fig. 3.14).
Afhankelijk van het teken van de vereiste harmonische stroom, wordt de pulsbreedte
van de ene of de andere condensator gemoduleerd. Dit betekent dat dezelfde
verbinding met het voedingssysteem kan worden gebruikt om stroom te onttrekken
en de harmonischen te injecteren.
De stroom die naar de belasting wordt verstuurd is afhankelijk van:
• De gemeten harmonische waarden,
• Gebruikersvereisten, ingesteld tijdens de systeemconfiguratie: te elimineren
harmonische rangorden en stroomfactorcompensatie (ja of nee).
De stroomtransformator in combinatie met een analoge/digitale converter bepaalt het
spectrum (basis en harmonischen) van de stroom die belasting voedt.
Afhankelijk van deze waarden en het keuzeprogramma worden de opdrachten door
een processor voorbereid voor de inverter om één fase uit te voeren na de metingen.
Vermogensfactorcompensatie wordt verkregen door het genereren van een
grondstroom +90° uit fase met de spanning
Fig. 3.14. Werking van AccuSine.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 16
AccuSine
Actieve harmonische spanningsregelaars
Opties
Op 3Ph- of 3 ph+N-systemen kan de gebruiker bepalen om het volgende te regelen:
• Alle of alleen bepaalde harmonischen tot aan H25.
• De vermogensfactor
) AccuSine wordt altijd gevoed met driefasige stroom, maar kan worden afgeregeld
op enkelfase belastingen, bijv. 3k harmonischen met nulsequentie.
Installatiemodi
Parallelle modus
Er kunnen maximaal vier AccuSine actieve harmonische spanningsregelaars parallel
aan hetzelfde installatiepunt worden aangesloten. Dit met de bedoeling om de
harmonische spanningsregelingscapaciteit en/of beschikbaarheid van het systeem te
verbeteren.
Voor parallelle installaties is één set sensoren op het geregelde circuit vereist en
wordt een draadverbinding gebruikt om de belastingsstroommetingen naar de
verschillende spanningsregelaars te versturen. Indien één spanningsregelaar wordt
afgesloten, blijven de overige spanningsregelaars de harmonischen regelen, binnen
de limieten van hun spanningsregelingscapaciteit.
Fig. 3.15. Parallelle bediening van drie AccuSine actieve harmonische spanningsregelaars.
Trapsgewijze of in-serie-modus
"Trapsgewijze" of "in-serie"-bediening is mogelijk, maar vereist alleen speciale
instellingen om interactie tussen de verschillende spanningsregelaars te voorkomen.
De spanningsregelaar stroomafwaarts regelt meestal een belasting met een hoger
vermogen. Het apparaat stroomopwaarts regelt andere uitgaande circuits met een
laag vermogen en, indien van toepassing, eventuele restharmonischen die zijn
geregeld door de eerste spanningsregelaar.
Fig. 3.16. AccuSine actieve harmonische spanningsregelaars in trapsgewijze modus.
Multi-circuit modus
In deze modus kan één spanningsregelaar maximaal drie uitgaande regelen. Een
set sensoren is vereist voor elk geregeld circuit en ze moeten allemaal verbonden
zijn met AccuSine. Deze configuratie is erg handig wanneer de harmonischen zich
concentreren op een klein aantal circuits.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 17
AccuSine
Actieve harmonische spanningsregelaars
Fig. 3.17. Eén AccuSine actieve spanningsregelaar voor meerdere circuits.
Positie in de installatie
Totale (of centrale) spanningsregeling
De actieve harmonische spanningsregelaar is net stroomafwaarts van de bronnen
aangesloten, meestal op het MLVS (Main Low-Voltage Switchboard)-niveau.
Gedeeltelijke spanningsregeling
De actieve harmonische spanningsregeling is aangesloten op het primaire of
secundaire schakelkastniveau en regelt een set belastingen.
Lokale spanningsregeling
De actieve harmonische spanningsregelaar is rechtstreeks verbonden met de
terminals van elke belasting
Fig. 3.18. Drie mogelijke AccuSine-installatiepunten, afhankelijk van gebruikersvereisten.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 18
AccuSine
Actieve harmonische spanningsregelaars
Vergelijking van installatiemogelijkheden
Type spanningsregelaar
Totaal
(MLVS-niveau)
Gedeeltelijk
(secundaireschakelkastniveau)
Lokaal
(belastingsniveau)
Voordelen
Voordelig.
Ontziet generatoren
(transformators, generatoren).
Nadelen
Harmonischen blijven in het
stroomafwaartse deel van de
installatie.
Kabels moeten extra groot zijn.
Voorkom te grote kabels tussen de Harmonischen blijven aanwezig
tussen de secundaire schakelkast
primaire en secundaire
en de niet-lineaire belasting.
schakelkasten.
Uitgaande kabels naar de
Opnieuw combineren van
belasting moeten extra groot zijn.
bepaalde harmonischen kan
zorgen voor een lager vermogen
van de spanningsregelaar.
Eliminatie van harmonischen waar Duur wanneer een aantal
spanningsregelaars is vereist.
deze zich voordoen.
Minder verlies in alle kabels, tot
aan de bron.
Toepassingen
In overeenstemming met netvereisten.
Voorkom het injecteren van harmonischen
stroomopwaarts van de installatie.
Grote gebouwen.
Spanningsregeling regelmatig verdeeld
over elke etage of reeks etages.
Een aantal circuits voeden niet-lineaire
belastingen.
Voor installaties met weinig niet-lineaire
belastingen en een hoog vermogen met
betrekking tot andere belastingen.
Voorbeeld: aandrijvingen met grote
variabele snelheden, UPS'en met een
hoog vermogen.
Voorbeelden: server-bays, verlichting,
UPS'en met een hoog vermogen, TLverlichtingssystemen.
Praktisch gezien
• Totale spanningsregeling leidt niet tot berekeningsproblemen.
• Gedeeltelijke spanningsregeling vereist een aantal voorzorgsmaatregelen.
• Voor alle niet-gecompenseerde RCD-belastingen (aandrijvingen met een variabele
snelheid en hoog vermogen zonder inductoren voor toepassingen met variabel
koppel) kan lokale spanningsregeling alleen een THDU garanderen die niet
bepaalde limieten overschrijdt om te zorgen voor een correcte belasting.
Positie van de huidige transformators stroomopwaarts of
stroomafwaarts
In de meeste van de bovenstaande installatiemodi, kunnen twee typen
stroomtransformators (CT: current-transformer) worden gebruikt met AccuSine.
CT stroomopwaarts van de belasting
Dit is de meest voorkomende situatie.
IF
IH
IF + IH
active harmonic
conditioner
CT to measure load
harmonics
non-linear
load
Fig. 3.19. Installatie met één CT stroomopwaarts van de belasting.
Installatie met één CT stroomopwaarts van de AccuSine en één CT op
de binnenkomende schakelkast
Deze configuratie vereenvoudigt de zaken als het lastig is om een CT te installeren
op de lijn net stroomopwaarts van de belasting. De twee CT's moeten over
compatibele en elkaar aanvullende kenmerken beschikken. Het verschil tussen de
gemeten stromen bepaalt de benodigde compensatiestroom.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 19
AccuSine
Actieve harmonische spanningsregelaars
CT1 to measure
source current
IH
IF
CT2 to measure
conditioner current
IF + IH
information on current to be
reinjected
(différence CT1 - CT2)
active harmonic
conditioner
non-linear
load
Fig. 3.20. Een installatie met twee CT's, een op de binnenkomende schakelkast en de ander
stroomopwaarts van de spanningsregelaar.
Voordelen van AccuSine
Eliminatie van de geregelde harmonische stromen
Voor de geselecteerde harmonischen is AccuSine ontworpen om een pad te bieden
voor de harmonische stromen met een impedantie van bijna nul met betrekking tot
de bron. Hiermee wordt de stroming stroomopwaarts naar de bron geëlimineerd.
Figuur 3.21 toont hoe AccuSine tussen twee lijndelen ZL1 en ZL2, een standaard
RCD-belasting levert die enkel- of driefasig kan zijn (omschakelende stroomvoeding
of aandrijving met variabele snelheid).
De harmonische stromen IHn die eerder door impedanties Zs en ZL1
stroomopwaarts van het AccuSine-installatiepunt stroomden, worden geëlimineerd.
De bron levert nu exclusief de grondstroom If.
Het is de AccuSine die de harmonische stromen IHn levert aan de belasting, door
het constant meten van de harmonischen die door de belasting worden gevoed.
Fig. 3.21. AccuSine wijzigt de stroom stroomopwaarts van het installatiepunt.
Vermindering in THDU bij het installatiepunt
Stroomopwaarts van AccuSine, worden de geselecteerde harmonische stromen IHn
(alle of alleen een aantal harmonischen tot de 25ste) geëlimineerd.
Totale harmonische vervorming stroomopwaarts van het installatiepunt wordt
berekend als (zie Hfdst. 4 p. 49):
∞
∑ UH
n
THDU % = 100
2
n=2
UH1
waarbij UHn de spanningsval is die overeenkomt met harmonische IHn.
Eliminatie van de harmonische stroom voor een bepaalde rangorde elimineert de
harmonische spanning voor dezelfde rangorde (1).
Het resultaat is een grote vermindering in de THDU, door het selecteren van de
allerbelangrijkste harmonischen.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 20
AccuSine
Actieve harmonische spanningsregelaars
Als we ervan uitgaan dat afzonderlijke harmonischen boven de 25ste rangorde te
verwaarlozen zijn, is de THDU bijna gelijk aan nul en vervorming totaal geëlimineerd,
indien wordt besloten om de spanning van alle harmonischen te regelen tot aan de
25ste.
(1) In zoverre dat UHn en IHn sinusvormige componenten zijn op frequentie nf (waarbij f de
frequentie is van de grondstroom), zijn zij gerelateerd aan de wet van Ohm, waarbij rekening
wordt gehouden met de waarde van de desbetreffende impedanties (Zs en ZL1) met een
hoekfrequentie nω.
Daarom:
UHn = (Zs(nω) + ZL1(n ω)) IHn.
Voor alle spanningsgeregelde harmonischen, IHn = 0 en vervolgens, UHn = 0.
Procedure voor het
implementeren van
actieve
spanningsregeling
Conclusie over actieve spanningsregeling
Nauwkeurige berekeningen spanningsregeling vereisen:
• nauwkeurige en diepgaande kennis over de installatie (bronnen, lijnen en
installatiemethode),
• nauwkeurige kennis van de belastingen (harmonische en verschuivingscurven,
afhankelijk van de bronimpedantie),
• speciale rekenhulpmiddelen,
• analyses en simulatie.
Nieuwe installaties
De standaardregels waaraan elektrische installaties onderhevig zijn blijven gelden,
maar een evaluatie van de spanningsvervorming (THDU) is vereist waar
harmonische stromen lopen.
Deze evaluatie is erg complex en vereist speciale rekensoftware, alsmede
diepgaande kennis van de niet-lineaire belastingen, met name de harmonische
distributie als functie van de impedantie stroomopwaarts.
Schneider Electric beschikt over de simulatiehulpmiddelen die zijn vereist voor deze
berekeningen.
Bestaande installaties
Voor bestaande installaties is een nauwkeurige evaluatie van de site een onmisbaar
vereiste voor elke corrigerende handeling. De wiskundige relatie tussen stroom- en
spanningsvervorming is complex en afhankelijk van de verschillende onderdelen van
de installatie.
Controle over harmonische verschijnselen vereist kennis en ervaring, alsmede
speciale hulpprogramma's en software (spectrumanalyser, rekensoftware voor
vervorming in kabels, simulatiesoftware, enz.).
Echter, zelfs als elke oplossing specifiek is voor een bepaalde site, zorgen
professionele technieken en strenge methoden voor een maximale kans dat de
installatie correct zal werken.
Methode
Schneider Electric beheerst het volledige proces voor het elimineren van
harmonischen en stelt een aanpak in drie stappen voor:
1. controle van de locatie,
2. bepaling van de meest geschikte oplossing,
3. systeeminstallatie en controles.
1. Controle van de locatie
Installatiediagram
Voordat een reeks metingen wordt gestart, raden wij u aan een eenvoudig diagram
van de installatie op te stellen, waarbij u het volgende aangeeft.
• type apparatuur
- generatoren: type, vermogen, spanning, Usc, X"d (motorgenerator ingesteld).
- isolatietransformatoren: spanning, vermogen, type, Usc, koppeling.
- distributie: type kabels, lengte, dwarsdoorsnede, installatiemethode.
- belastingen: vermogen, type.
- aardingssystemen op de verschillende punten in de installatie.
• werkingsmodi
- van de netstroom.
- van de motorgeneratorinstellingen (stand-byvoeding of cogeneratie).
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 21
AccuSine
Actieve harmonische spanningsregelaars
- van UPS'en.
• gereduceerde bedieningsmodi
- zonder redundantie.
- van motorgeneratorvoeding.
Aan de hand van dit diagram kunt u de verschillende meetpunten bepalen en de
kritische werkingsfases identificeren (voor evaluatie door simulatie of berekening).
Metingen
Door de voorgaande onmisbare stap te volgen, kan de meetfase worden gestart. Bij
voorkeur bij de bron en stroomafwaarts naar de belasting die harmonischen
opnemen, om zo het aantal metingen te beperken.
De kwaliteit van metingen is belangijker dan de kwantiteit en zorgt ervoor dat de
volgende stap eenvoudiger is.
Voorbereidende studie van de installatie
Deze eerste stap eindigt met een voorbereidende studie van de installatie:
• punt(en) van installatie van de spanningsregelaar(s),
• installatievoorwaarden voor de stroomonderbrekingsbescherming,
• installatie van de sensors (omstandigheden met spanning of niet),
• mogelijkheid van uitschakeling van de belasting,
• beschikbare ruimte,
• evacuatie van verliezen (ventilatie, airconditioning, enz.),
• omgevingsvereisten (geluid, EMC, enz.).
2. Bepaling van de meest geschikte oplossing
De vorige elementen worden gebruikt om de optimale oplossing te bepalen aan de
hand van:
• analyse van de gemeten resultaten,
• simulatie van verschillende oplossingen voor het opgetreden probleem,
• bepaling van de meest geschikte oplossing,
• opstellen van een samenvattingsrapport met de voorgestelde oplossingen.
3. Systeeminstallatie en controles
Deze laatste stap omvat:
• implementatie van de geselecteerde oplossingen,
• controle van prestatieniveaus met betrekking tot de gegarandeerde resultaten,
• opstellen van een opstartrapport voor het systeem.
Schneider Electric
Editie 09/2015
p. 22