Netvervuiling: harmonischen
Wat zijn harmonischen?
Een veel voorkomende afwijking van een zuivere sinusvormige spanning- en stroomgolfvorm zijn harmonischen. Hierbij bevat de golfvorm niet alleen een component op de fundamentele frequentie (50 Hz), maar tevens enkele componenten op frequenties die daar een veelvoud van zijn (100 Hz, 150 Hz, etc.). Onder invloed van deze harmonischen wordt de golfvorm vervormd en kunnen pieken optreden die veel groter zijn dan bij een sinusvorm. Een sinusvormige spanning zorgt ervoor dat er een sinusvormige stroom gaat lopen. Apparaten waarbij dit gebeurt worden lineaire systemen genoemd. Voorbeelden van lineaire systemen zijn gloeilampen, verwarming en de meest voorkomende motoren. Sommige moderne apparaten behoren niet tot deze categorie. Bij niet-lineaire belastingen moet gedacht worden aan gelijkrichters, geschakelde voedingen (computers), frequentie regelaars, LED-verlichting, spaarlampen, dimmers, inductieovens, etc. Tot niet-lineaire systemen behoren vrijwel alle apparaten waar halfgeleiders in verwerkt zijn, zoals solid state relais, transistors en/of diodes.
Wat zijn de gevolgen van de harmonischen?
De symptomen van harmonischen kunnen ernstige problemen tot gevolg hebben:
- Transformatoren kunnen oververhit raken door wervelstromen in de ijzeren kern. Dit heeft vibratie en zoemende geluiden tot gevolg. Door de hogere frequenties (hogere harmonischen) is de transformator minder efficiënt en levert deze niet het geplande vermogen.
- Aanwezigheid van hoge frequenties kan oververhitting veroorzaken in kabels. Dit fenomeen wordt ook wel het “skineffect” genoemd. Door de hoge temperaturen wordt de soortelijke weerstand van kabels hoger, waardoor de temperatuur nog meer toeneemt en dus een sneeuwbaleffect ontstaat. Door de hoge temperaturen zal ook de isolatieweerstand sterk verlagen, waardoor gemakkelijk een gevaarlijke situatie kan ontstaan.
- Hinderlijk trippen van automaten in een fabriek waar staalwassen opgesteld staan. Doordat hogere harmonischen aanwezig zijn, gaat de sommatie van stromen verkeerd en tript de beveiliging vaak onbedoeld. De stroomvoorziening wordt dan voortdurend onderbroken zonder duidelijk aanwijsbare reden.
- Als elektromotoren warm worden en abnormaal veel geluid produceren, is dit vaak het gevolg van een onbalans in de netvoeding door aanwezigheid van een vijfde harmonische. Deze harmonische zorgt voor een negatieve draairichting wat trillingen en lagerslijtage tot gevolg heeft.
- De derde harmonische in een driefase systeem zal in fase zijn met de eerste harmonische, waardoor een grotere stroom door de nul gaat. De nulgeleider kan hierdoor zeer warm worden.
- Datastoringen daar waar ongewenste stromen over de datakabels gaan lopen.
Het meten van de harmonischen.
Wanneer de aanwezigheid van harmonischen wordt vermoed, dient een meting te worden verricht. Er bestaan verschillende soorten meetinstrumenten voor dit doel. Het gebruik van een instrument met het True RMS meetprincipe is absoluut noodzakelijk. Een toestel zonder True RMS zal foutieve waarden weergeven, omdat deze de effectieve meetwaarde bepaald aan de hand van een gemiddelde waarde. De verhouding tussen de gemiddelde waarde en de effectieve waarde is 1,11 bij een zuivere sinusvorm. Bij aanwezigheid van harmonischen is er echter geen sprake van een zuivere sinusvorm, waardoor de waarde die een meetinstrument zonder True RMS weergeeft in dat geval sterk kan afwijken van de werkelijke waarde. True RMS wordt ook wel de “echte effectieve waarde” genoemd.
De totale graad van de harmonische vervuiling is de verhouding van de echte effectieve waarde van alle harmonischen tot de echte effectieve waarde van de grondgolf. Deze waarde wordt ook de totale distorsie (THD) genoemd. De THD geeft een beeld van de totale inhoud aan harmonischen van het signaal. Om een goede analyse te doen zal de totale harmonische vervorming moeten worden opgedeeld in afzonderlijke harmonischen. Er zijn meetinstrumenten, zoals de ELEKTRO LIJN PQA823, die dat overzichtelijk in beeld kunnen brengen in de vorm van een histogram. Hieruit kan worden afgelezen welke harmonischen aanwezig zijn en wat de grootte van elke harmonische is.
De persoon die de analyse uitvoert dient te weten welke harmonischen wel of niet aanwezig mogen zijn en in welke mate dit het geval is. Ligt de oorzaak van de harmonischen bij de leverancier of bij de gebruiker? Het antwoord op deze vragen vindt u in de geldende Europese regelgeving: EN50160 en IEC 61000. De EN50160 beperkt zich tot het vermelden van de maximale waarden voor verschillende typen van netvervuiling. De IEC 61000 geeft aan hoe er moet worden gemeten, wat de maximale bijdrage van een bepaalde klasse toestellen is tot de netvervuiling en wat de kaders zijn voor bepaalde voltage-events. De EN50160 bevat een tabel met de grenswaarden voor harmonische componenten in de netspanning. Bij een goede Power Quality Analyser zijn deze limieten in het instrument ingebouwd, zodat overschrijding van een limiet direct zichtbaar is en een snelle analyse mogelijk is.
De oorzaak van de harmonische vervorming is vrijwel altijd terug te voeren op een stroomharmonische. Om deze zo duidelijk mogelijk in beeld te krijgen, is het belangrijk om zo dicht mogelijk bij het toestel te meten waarvan u verwacht dat het de oorzaak is van de netvervuiling. Harmonischen zijn meestal geen constant verschijnsel, waardoor het belangrijk is om de meting gedurende langere tijd uit te voeren (loggen). Dit maakt een betere analyse mogelijk.
Omgaan met harmonischen.
Door toepassing van moderne technieken om ons heen zullen harmonischen altijd aanwezig zijn. Om de invloed van harmonischen te minimaliseren zullen bij een nieuwe installatie maatregelen moeten worden genomen en bij bestaande installaties zullen aanpassingen worden gedaan. Enkele factoren die van invloed zijn bij het bestrijden van harmonischen zijn een juiste dimensionering van fase- en nulgeleiders, het voorkomen van (te) lange geleiders en het vermijden van plaatsing van geleiders naast datakabels. Bij bestaande installaties kan gebruik worden gemaakt van passieve of actieve filters om de harmonische vervorming te verminderen.
