energie & engineering nummer 4 • november 2012 98 energie & engineering nummer 4 • november 2012

Power Quality en harmonischenElimineren van hogere harmonischen levert geld op

Elektrische energie kan sterk in kwaliteit variëren. Zo moet in een hoogspanningsnet naast een

goede cos-phi de spanning een exacte sinusvorm zijn. Helaas ontvangt u geen zuivere sinus.

De oorzaak hiervan ligt bij de gebruikers zelf. In de samenleving worden in toenemende mate

apparaten als frequentieregelaars, schakelende voedingen, omvormers LED - en spaar lampen

gebruikt. Deze apparaten veroorzaken vervuiling door harmonischen en belasten hiermee het

elektrisch netwerk. De gevolgen zijn niet specifiek en kunnen per toepassing verschillen.

Auteur: Frits Ogg

Door de toename van elektronische apparatuur wordt het net in steeds sterkere mate vervuild. Power Quality, oftewel spannings- en stroomkwaliteit, gaat over de kwa-liteit van elektrische energie. Ster-driehoek schakelaars worden vervangen door elektronische aandrijvingen, gloei-lampen worden vervangen door LeD-lampen en we hebben allemaal iCT-apparatuur in het bedrijf met schakelende voedingen. Hierdoor ontstaan hogere harmonischen. nu is het net in het algemeen ‘sterk genoeg’ om deze problemen op te vangen, maar lokaal leiden ze vaak tot problemen. elektriciteit wordt geleverd door de netbeheerder. Hij is verantwoordelijk voor een spanning die aan een aantal kwaliteitsaspecten voldoet. De voorgeschreven minimale kwaliteit van de spanning is gebaseerd op de europese norm en-50160. Stroom en spanning hebben invloed op elkaar. Daarom is het noodzakelijk eisen te stellen aan de kwaliteit van de stroom die wordt afgenomen door de gebruiker. De kwaliteit van de stroom wordt bepaald door de emissie van afzonderlijke apparaten. De maximale waarden ervan zijn vastgelegd in de en-61000 normenreeks (Figuur 1).Om te kunnen zien of aan alle eisen voldaan wordt zijn er verschillende meetinstrumenten op de markt waarmee blindvermogen en alle afzonderlijke harmonische compo-nenten gemeten kunnen worden (bijvoorbeeld die uit figuur 2). Dat betekent dat met deze meetinstrumenten de oor-zaak van de problemen te achterhalen is en gecontroleerd kan worden of de aangesloten apparatuur aan de emissie-eisen voldoet.

Wat zijn hogere harmonischennormaal gesproken is de netspanning zuiver sinusvormig. Als hier een lineaire belasting op wordt aangesloten, is de stroom zuiver sinusvormig.Hogere harmonischen zijn een veelvoud van de basis-frequentie. in een 50 Hz netwerk is de 5e harmonische bijvoorbeeld gelijk aan 250 Hz en is de 7e harmonische gelijk aan 350 Hz. Deze frequenties worden opgewekt in het apparaat dat de betreffende belasting veroorzaakt en worden van daaruit verspreid naar de hoofdvoeding. De stroom die we in figuur 4 zien, is een stroom die wordt opgenomen door een elektronische voeding. We kunnen deze stroom beschrijven als de som van afzonderlijke sinusvormige componenten. De afzonderlijke sinusvormige componenten kunnen we in een frequentiespectrum weer-geven (figuur 3). Op de x-as is te zien wat de frequentie van de harmonische componenten is (de veelvoud van de grondfrequentie) en op de y-as is te zien wat de procentue-le waarden van de amplitude ten opzichte van de grondgolf zijn. De totale harmonische distorsie (THD) is de som van alle harmonische componenten van de spanning of stroom af-gezet tegen de grondharmonische van spanning of stroom. De THD wordt aangegeven in procenten. Hoe hoger het percentage, hoe meer harmonische vervuiling.Hogere harmonischen ontstaan bijvoorbeeld in: • Schakelende voedingen • TL verlichting en spaarlampen • Apparaten met vlambogen (lasapparaten etc.)• UPS systemen • Frequentie regelaars • Thyristoren (voor het bedienen van halogeen lampen

of motoren)

Harmonischen en blindvermogenAls we actieve energie en blindstroom bij elkaar optellen, krijgen we het benodigde vermogen. Hoe meer blindver-mogen, hoe groter de transformator en aansluitcapaciteit moet zijn. Deze theorie geldt alleen bij zuivere sinusvorm van 50 Hz, dus bij lineaire belastingen.Bij niet lineaire belastingen hebben we te maken met hoge-re harmonischen. Ook de stroom en spanning van hogere harmonischen zijn niet met elkaar in fase. Dit genereert ook blindvermogen.Het blindvermogen dat wordt gegenereerd door de fase-verschuiving tussen spanning en stroom bij 50 Hz noemen we faseverschuivingsblindvermogen. Het blind-vermogen dat wordt gegenereerd door de hogere harmo-nischen noemen we distorsie blindvermogen. Het totale blindvermogen verkrijgen we dus door het faseverschui-vingsblindvermogen en het distorsie blindvermogen bij elkaar op te tellen.

De cos-phi is de verhouding tussen het werkelijk vermogen en het schijnbaarvermogen bij 50 Hz. Cos phi = Ps / Pw (50 Hz)

De power-factor is de verhouding tussen het werkelijk en schijnbaar vermogen bij alle frequentiecomponenten.Arbeidsfactor (power factor) = Ps / Pw (bij alle frequentie componenten)

Door te meten met de juiste instrumenten,

krijgt u inzicht in de Power Quality. Denk

daarbij wel om de veiligheid. De persoon op

de foto werkt niet volgens de huidige veilig-

heidseisen. Foto: Michiel Nijsen, Maptools

Figuur 1. De interactie tussen de verschillende normen (4top.nl)

Figuur 2. een meetinstrument voor harmonischen analyse tot 63e orde (4top.nl)

>>

ENErgIEvoorZIEN INg

energie & engineering nummer 4 • november 2012 1110 energie & engineering nummer 4 • november 2012

De kwaliteit van de spanning en stroom staat onder druk door:• Meer decentrale energieopwekking (wind- en

zonne-energie) • De toename van het gebruik van elektronische

apparatuur (iCT – LeD-verlichting) • De toename van het gebruik van sterk wisselende

belastingen

een slechte spanningskwaliteit kan leiden tot:• Onbewuste overbelasting van verdeelinrichtingen en

transformatoren • Productieverlies door een te lage of vervuilde spanning

(assimilatieverlichting, uitvallen van PLC’s)• Schade aan motoren door bijvoorbeeld asymmetrie • Schade aan gevoelige apparatuur • Kwaliteitsverlies van productieprocessen, bijvoorbeeld

in drukkerijen (haperingen papier doorvoer)• Het onverklaarbaar uitvallen van relais

een slechte power quality leidt tot een achteruitgang van de betrouwbaarheid en de levensduur van uw elektrische apparatuur en infrastructuur. Daarnaast betaalt u meer voor uw energierekening dan nodig is.

AanpakHet begint met goed meten en monitoren en dan de meet-data vertalen naar de juiste informatie, vervolgens kunnen de juiste maatregelen genomen worden om de kwaliteit van spanning en/of stroom te verbeteren. er zijn verschillende bedrijven die u kunnen helpen bij de aanpak. forTop bijvoor-beeld levert meters, software, begeleiding en interpretatie van meetdata waar u zelf mee aan de slag kunt. een ander bedrijf is bijvoorbeeld Hyteps dat voor u meet, analyseert, interpreteert en ontzorgt van meting tot oplossing.

MetenkWh meters registreren geen hogere harmonischen. een multimeter is ook niet geschikt om signalen met hoge fre-quenties te meten. Het bereik loopt tot hooguit enkele kHz. Voor het goed meten van hogere harmonischen, wordt gebruik gemaakt van power analysers. Daarbij moet u be-denken dat harmonische stroomcomponenten tot de 40e orde niet nauwkeurig kunnen worden gemeten met “klassieke” stroomtransformatoren. Bij het meten moeten de juiste meettransformatoren en meetinstrumenten wor-den toegepast. De invloed van de meetfout van de meet-transformatoren op de totaalmeting wordt vaak onderschat. Meetinstrumenten zijn te onderscheiden in de volgende groepen:• Universele meters (meten en bewaken elektrische

grootheden incl. harmonischen) • Power analysers (bewaken netkwaliteit incl.

onderbrekingen en transiënten) • Power quality analysers (bewaking netkwaliteit en

spanningskwaliteit volgens en50160) De keuze van de juiste meter is essentieel voor een optimaal meetsysteem.De ieC61000-4-30 geeft aan hoe de diverse power quality grootheden moeten worden gemeten. Binnen de norm wordt onderscheid gemaakt tussen klasse A-, B-, en S- instrumenten.een klasse A meter is het meest nauwkeurig. De meet-gegevens die van deze meter komen zijn geschikt om een

rapportage op te stellen conform de en50160. Binnen de ieC61000-4-30 is onder andere het volgende vastgelegd:• Meetintervallen • Nauwkeurigheid (0,1% voor de spanning voor klasse A) • Hoe korte onderbrekingen en transiënten te meten Als een juiste meting wordt verricht, komen er veel meetgegevens vrij. Het is van belang dat de meetgegevens snel en betrouwbaar naar de database worden weggeschreven. Daarna moet de data op een juiste manier worden omgezet naar management informatie.

Softwareeen hulpmiddel bij de meting is bijvoorbeeld het programma gridVis. De basisli-centie van GridVis wordt gratis met Janitza meters meegeleverd (figuur 3). Met dit pakket is het o.a. mogelijk om:• Realtime meetwaarden uit te lezen • Historische meetgegevens op te vragen in bestanden en grafieken • Transiënten en korte onderbrekingen te analyseren • Complete EN50160 rapportages uit te draaien. • Eenvoudige goed-fout rapporten te genereren De meeste power analysers zijn voorzien van geheugen. Hierdoor worden belangrijke power quality parameters bewaakt en opgeslagen. Hierdoor is het mogelijk een harmonischen analyse uit te voeren op elk moment van de dag, maar ook een historische trend op te vragen.

Power Quality AssessmentOm tot een goede analyse van meetdata te komen, moet de data worden ver-taald naar een overzichtelijk schema. De ABCDeF classificatie is een methode om data in te dikken en globaal te analyseren. Alle meetdata wordt gecompri-meerd tot een classificatie van A tot en met F, waarbij A staat voor een zeer hoge kwaliteit en F staat voor een extreem slechte kwaliteit (Figuur 6).

Gevolgen van hogere harmonischenoverbelasting van de nulleider: Als veel schakelende voedingen of lampen met elektronische voorschakelapparatuur zijn opgenomen in een 3 fasen-net met nul, dan is het aandeel 3e harmonische componenten in de stroom groot. een eigenschap van de grondharmonische van 50 Hz is dat de vector-som van de stroom van de 3 fasen op elk moment nul is. Dus bij een gelijk belast systeem loopt er dan geen stroom door de nul. De 3e harmonische componenten van alle 3 fasen zijn altijd met elkaar in fase. Daarom sommeren ze zich in de nul waardoor de stroom door de nul veel groter is dan verwacht.onverwachts uitschakelen van beveiligingstoestellen: Hogere harmonische stromen kunnen aanleiding zijn tot het onverwacht uitschakelen van beveili-gingstoestellen. Vaak worden beveiligingsautomaten berekend door het werkelijk vermogen van de afzonderlijke belastingen bij elkaar op te tellen. Het door har-monischen veroorzaakte blindvermogen leidt ertoe dat smeltdraden en bimeta-len extra worden verwarmd, zodat uitschakeling eerder plaats vindt dan men op basis van het berekende werkelijk vermogen zou verwachten.

De capacitieve werking van een installatie zorgt in combinatie met hogere harmonischen voor grotere lekstromen. Hierdoor kunnen de aardlekschakelaars eerder aangesproken worden dan we verwachten.overbelasting van kabels en leidingen in het algemeen: Harmonischen zorgen voor extra blindvermogen. Dit blindvermogen is verantwoordelijk voor de warm-teontwikkeling in kabels en leidingen. Daarnaast zorgt het “skin effect” ervoor dat stroom-componenten van hogere frequenties meer aan de buitenkant van de geleider gaan lopen, waardoor extra warmteontwikkeling ontstaat.overbelasting van transformatoren: Harmonische stromen zullen de koper-, wervelstroom en lekstroomverliezen verhogen waardoor er extra warmteontwik-keling ontstaat. Door de extra warmteontwikkeling neemt het rendement van een transformator af. Dit verhoogt de k-factor van een transformator, waardoor de maximale belasting moet worden gereduceerd. Dit wordt ook het wel “de-raten” van een transformator genoemd. Als een k-factor 1,15 is, mag de trans-formator maar voor 85% van het nominale vermogen worden belast.overbelasting van condensatoren: Bij een vervuilde netspanning kan de stroom door elektrolytische condensatoren in een compensatiebank behoorlijk oplopen. De weerstand (impedantie) van een condensator is namelijk omgekeerd even-redig met de frequentie: Zc = 1 / 2 fC .Extra verwarming van motoren: Bij een vervuilde netspanning worden in een elektromotor extra wervelstroomverliezen opgewekt. Daarnaast zorgen hogere harmonische spanningen ervoor dat er velden worden opgewerkt die de motor op een ander toerental of tegengesteld willen laten draaien.resonantie: Als capaciteiten en inducties in het net aanwezig zijn (zoals bij-voorbeeld bij het toepassen van blindstroomcompensatie) kan er resonantie ontstaan. resonantie ontstaat op die punten waar de impedantie van een in serie-geschakelde kring minimaal is (bij het injecteren van een stroom) en de im-pedantie van een parallelkring maximaal is (bij het injecteren van een spanning).

Oplossingen voor problemen met harmonischenHet begint met goed meten en door er rekening mee te houden bij het ontwerp van de installatie. Aanpassingen in de vorm van filters is een oplossing, maar kan veel nieuwe problemen introduceren. Houdt bij de keuze van de leidingdoorsnede, transformatoren en beveiligingstoe-stellen rekening met de aanwezigheid van bijvoorbeeld 3e harmonische stroom componenten. U kunt er voor kiezen de stromen niet te beperken en te kiezen voor “overcapaciteit” in de installatie zoals dikkere leidingen.U kunt de verschillende belastingen over verschillende groepen verdelen en u kunt de apparatuur die gevoelig is voor harmonischen zoveel mogelijk scheiden van apparatuur die veel harmonischen genereren.Sluit grote vervuilende toestellen zo dicht mogelijk aan bij de transformator. Hier is de inwendige weerstand van het net het laagst en worden de nadelige effecten van de vervuilende toestellen op de kwaliteit van de spanning voor de andere toestellen zoveel mogelijk beperkt.

Passieve filtersPassieve filters kunnen worden gebruikt om specifieke harmonische stromen te blokkeren (sperfilter) of juist voor deze harmonische stromen een lage impedan-tie te vormen (zuigfilter).een sperfilter is duur omdat het totale vermogen door het filter moet worden gevoerd. een zuigfilter kan als nadeel hebben dat hij harmonische stromen van “de buren” aantrekt. Hierdoor kan het filter overbelast raken.

Actieve filterseen meer geavanceerde methode om harmonischen te beperken, is een actief filter. een actief filter meet continu de vorm van de stroom en biedt op basis van deze meting een “tegen-stroom” aan, zodat na het filter een bijna sinus vor-mige stroom ontstaat. Bedenk daarbij dat het toepassen van filters veel kennis vereist (figuur 5).

Normen en harmonischenDe onderstaande normen zijn spanningskwaliteitsnormen en beschrijven de maximale harmonische vervuiling in openbare- en niet openbare netten:en50150 Spanningskwaliteitnorm voor openbare netten voor laag- en

middenspanning. Deze norm beschrijft de minimale eisen waaraan de kwaliteit van de netspanning dient te voldoen op het overdrachtspunt van de netbeheerder naar de klant. De en50160 is onderdeel van de netcode. De en50160 beschrijft onder andere de maximale harmonische span-nings vervuiling tot de 25e orde.en61000-2-4 Spanningskwaliteitsnorm voor niet openbare industriële netten tot 35 kV. Ook deze norm beschrijft een maximale harmonische vervuiling.

De onderstaande normen zijn emissienormen en beschrij-ven hoeveel stroomvervuiling toestellen in het net mogen emitteren. De volgende normen zijn normen op toestel-niveau:EN61800-3 Maximale harmonische “stroomvervuiling” van frequentieregelaarsEN61000-3-2 Maximale harmonische “stroomvervuiling” van apparaten t/m 16 AEN61000-3-12 Maximale harmonische “stroomvervuiling” van apparaten >16 A en < 75 A.er bestaan nog geen normen voor de maximale stroom-vervuiling op het niveau van de aansluiting met de net-beheerder. Dit is ook niet zo gemakkelijk, omdat spanning en stroom altijd elkaar beïnvloeden. een slechte spannings-kwaliteit leidt automatisch tot een slechte stroomkwaliteit en andersom. >>

www.hyteps.nl / www.4top.nl

Figuur 5. Actief

harmonischen filter

(Hyteps.nl)Figuur 3. Printscreen van het programma gridVis (4top.nl)

Figuur 4. Afzonderlijke stroomcomponenten (Hyteps.nl)

ENErgIEvoorZIEN INg