Harmonischen

Wat zijn harmonischen?

Harmonischen zijn frequenties die ontstaan wanneer niet-lineaire belastingen, zoals gelijkrichters, een niet-sinusvormige stroom verbruiken. Deze stroom is een som van de grondfrequentie en hogere veelvouden daarvan, genaamd harmonischen.

Lineaire Belastingen

Bij lineaire belastingen, zoals een gloeilamp, is de stroom sinusvormig en in fase met de spanning. Het vermogen wordt uitgedrukt als:

• Werkelijk vermogen (P) = U × I (kW)
• Blindvermogen (Q) en schijnbaar vermogen (S): S = U × I (kVA)

De verhouding tussen P en S wordt de verhouding van de verschuivingshoek (ϕ) genoemd, en is gelijk aan de arbeidsfactor (DPF), oftewel cos(ϕ).

Niet-lineaire Belastingen

Niet-lineaire belastingen, zoals een gelijkrichter, trekken een niet-sinusvormige stroom. Deze stroom kan worden ontleed in harmonischen, die frequenties zijn die veelvouden zijn van de grondfrequentie.

• Harmonischen: Dit zijn frequenties die een veelvoud zijn van de basisfrequentie (ω1).
• Vermogenselektronica genereert vaak alleen oneven harmonischen (zoals de 5e, 7e, 11e, 13e, enz.). Even harmonischen komen minder voor, omdat de positieve en negatieve helften van de stroomcyclus meestal symmetrisch zijn.

Harmonischen leiden tot een verschijnsel genaamd Totale Harmonische Vervorming (THD), die de mate van vervorming van de stroom of spanning aangeeft, uitgedrukt als een percentage van de grondwaarde.

Effect van Harmonischen in een Stroomverdeelsysteem

Harmonische stromen veroorzaken spanningsvervorming, vooral door de impedanties in het verdeelsysteem. Hogere impedanties leiden tot grotere spanningsvervorming. Spanningsvervorming beïnvloedt de prestaties van het systeem, terwijl stroomvervorming effect heeft op de apparatuur.

Het negatieve effect van harmonischen bestaat uit:

Systeemverliezen (in kabels en transformatoren).

Verstoring van andere belastingen door harmonische spanningsvervorming.

De kortsluitverhouding (RSCE) van een systeem geeft inzicht in de relatie tussen kortsluitvermogen en de nominale schijnbare belasting.

Effect van Harmonischen op Motoren

Harmonischen veroorzaken verschillende problemen voor motoren:

• Verhoogde opwarming door verliezen op harmonische frequenties (ijzer- en koperverliezen).
• Hogere geluidsemissies door de pulsaties veroorzaakt door harmonischen.
• Harmonische stromen in de rotor, die leiden tot opwarming en een verlaagd koppel. Deze stromen worden vaak veroorzaakt door harmonischen in de statorwikkelingen (zoals de 5e en 7e, die respectievelijk 6e- en 12e-order rotorharmonischen produceren).

Daarnaast kunnen onbalansen in het systeem ook als harmonische stromen in de rotor worden waargenomen, wat de negatieve effecten versterkt.

Kortom, harmonischen hebben aanzienlijke gevolgen voor de efficiëntie en de levensduur van elektrische systemen, vooral in netwerken met niet-lineaire belastingen. Ze veroorzaken verhoogde verliezen, verminderde prestaties van apparatuur en een afname van de arbeidsfactor.

---

2. Normen en Voorschriften voor het Beperken van Harmonischen

Het beperken van harmonischen in elektrische systemen wordt geregeld door diverse toepassingsspecifieke vereisten en normen. Deze voorschriften kunnen verschillen per type installatie en geografisch gebied, en zijn bedoeld om de negatieve effecten van harmonischen, zoals systeemverliezen en verstoring van andere gebruikers, te beperken.

Toepassingsspecifieke Vereisten

Soms kunnen technische redenen een specifieke installatie vereisen om de harmonische vervorming te beperken. Bijvoorbeeld, in een scenario waar twee motoren (110 kW) zijn aangesloten op een 250 kVA transformator, kan het noodzakelijk zijn om de harmonische vervorming te minimaliseren als een van de motoren via een frequentieregelaar wordt gevoed. In dit geval zou een oplossing kunnen zijn om harmonischenfilters te installeren om de vervorming van de frequentieregelaars te beperken, zonder de transformator te hoeven vervangen.

Belangrijkste Normen en Voorschriften

Er bestaan verschillende normen die richtlijnen bieden voor het beperken van harmonischen, afhankelijk van de situatie en de regio. De belangrijkste normen zijn:

1. IEC/EN 61000-3-2: Beperkt de emissie van harmonische stromen voor apparaten die ≤ 16 A per fase verbruiken.
2. IEC/EN 61000-3-12: Beperkt harmonische stromen voor apparaten die > 16 A en ≤ 75 A verbruiken.
3. IEC/EN 61000-3-4: Richt zich op de emissie van harmonische stromen voor apparaten die > 16 A verbruiken.
4. IEC/EN 61000-2-2 en IEC/EN 61000-2-4: Behandelen compatibiliteitsniveaus voor laagfrequente geleide storingen, die ook harmonische vervorming omvatten.
5. IEEE 519: Deze richtlijn bevat aanbevolen praktijken en vereisten voor het beheersen van harmonischen in elektrische voedingssystemen, specifiek gericht op industriële toepassingen en netvoeding.
6. G5/4: Een technische aanbeveling uit het Verenigd Koninkrijk die planningsniveaus voor harmonische spanningsvervorming definieert en richtlijnen biedt voor de aansluiting van niet-lineaire apparatuur op transmissie- en distributienetwerken.

Conclusie

Om harmonische vervorming te beheersen en de negatieve effecten op het systeem te verminderen, moeten bedrijven en netbeheerders voldoen aan de specifieke normen die van toepassing zijn op hun installaties en geografische locatie. Het gebruik van harmonischenfilters en andere maatregelen kan nodig zijn om te voldoen aan deze voorschriften en de efficiëntie van het elektrische systeem te waarborgen.

---

3. Methodes voor Beperking van Harmonischen in Frequentieregelaars

In veel toepassingen, vooral bij het gebruik van frequentieregelaars, kunnen harmonischen de netkwaliteit aanzienlijk verslechteren. De netstroom van standaard diodegelijkrichters heeft vaak een Totale Harmonische Vervorming (THDi) van minimaal 80%, wat onacceptabel is in veel industriële toepassingen. Daarom is het noodzakelijk om de harmonischen te beperken. Er zijn verschillende methoden, zowel passief als actief, die kunnen worden toegepast om deze vervorming te verminderen.

Passieve Methoden voor Beperking van Harmonischen

1. DC-Inductoren
   • DC-inductoren worden in de DC-tussenkring van de frequentieregelaar geplaatst, tussen de gelijkrichter en de DC-condensator. Ze verminderen de THDi tot tussen de 35% en 45%.
   • Voordelen: Vermijden van spanningsverliezen die optreden bij AC-inductoren, waardoor de DC-tussenkringspanning hoger wordt, wat meer koppel mogelijk maakt.
   • Nadelen: De inductor kan de gelijkrichter niet beschermen tegen netpieken.
2. AC-Inductoren
   • AC-inductoren worden aan de netzijde van de gelijkrichter geplaatst en bieden een vergelijkbare harmonische beperking als DC-inductoren (THDi tussen 35% en 45%).
   • Voordelen: Bieden bescherming tegen pieken van de netspanning.
   • Nadelen: Er ontstaat een spanningsval van ongeveer 4% bij AC-inductoren, wat bij DC-inductoren niet het geval is.
3. Passieve Harmonischenfilters
   • Passieve filters worden vaak in serie met de netvoeding aangesloten en bestaan uit een combinatie van inductoren (L), condensatoren (C) en soms dempingsweerstanden (R).
   • Ze kunnen specifieke harmonischen (zoals de 5e, 7e, enz.) dempen of worden afgestemd om resonantie te voorkomen.
   • Nadelen: Deze filters zijn groot en complex en kunnen resonantieproblemen veroorzaken als ze niet goed worden afgestemd.
4. Multipulsgelijkrichters
   • Multipulsgelijkrichters maken gebruik van faseverschuivingstransformatoren en kunnen 12-puls of 18-puls gelijkrichting uitvoeren om harmonischen zoals de 5e en 7e harmonischen te elimineren.
   • Voordelen: Ze verminderen harmonischen tot THDi < 10%.
   • Nadelen: Ze vereisen grote transformatoren die vaak groter zijn dan de frequentieregelaar zelf en de prestaties nemen af bij spanningsonbalans.

Actieve Methoden voor Beperking van Harmonischen

1. Active Front End (AFE)
   • In plaats van een diodegelijkrichter kan een inverter met actieve schakelaars (IGBT-transistoren) worden gebruikt aan de netzijde van de frequentieregelaar. De inverter werkt met pulsbreedtemodulatie (PWM), waardoor de netstroom bijna sinusvormig is.
   • Voordelen: Maakt vierkwadrantenbedrijf mogelijk (energie kan bidirectioneel stromen), ideaal voor toepassingen met veel regeneratief remmen, zoals kranen of centrifuges.
   • Nadelen: Relatief laag rendement en hoge complexiteit, vooral als geen bidirectionele energiestroom nodig is.
2. Actieve Filters
   • Actieve filters (AF) gebruiken een inverter die harmonische stromen in tegenfase produceert om de vervorming te neutraliseren (180° opheffingseffect).
   • Voordelen:
     • Individuele compensatie: Het filter compenseert harmonischen van één belasting (bijv. een Low Harmonic Drive (LHD) systeem).
     • Groepscompensatie: Harmonischen van meerdere belastingen (zoals meerdere frequentieregelaars) kunnen worden gecompenseerd door één filter.
     • Centrale compensatie: Harmonischen kunnen op het gemeenschappelijke koppelpunt van het net worden gecompenseerd.
   • Nadelen: Er is een LCL-filter nodig om de schakelruis te elimineren.

Overzicht van Methodes voor Harmonischenbeperking

Beperkingsmethode	Typische Stroomvorm	THD (%)
Geen beperking	—	> 80%
DC-Inductoren	—	< 45%
AC-Inductoren	—	< 45%
Passief harmonischenfilter	—	< 10%
Multipulsgelijkrichter (12/18)	—	< 10%
Active Front End (AFE)	Sinusvormig	< 5%
Actief filter	Sinusvormig (vergelijkbaar met AFE)	< 5%

Conclusie

De keuze voor een passieve of actieve methode voor harmonischenbeperking hangt af van de specifieke toepassing, de vereiste THD-waarde en de complexiteit van het systeem. Passieve methoden zoals inductoren en filters zijn vaak eenvoudiger en goedkoper, maar kunnen beperkingen hebben op het gebied van flexibiliteit en grootte. Actieve methoden zoals AFE’s en actieve filters bieden betere prestaties en flexibiliteit, maar zijn duurder en complexer in uitvoering. Het is belangrijk om de juiste oplossing te kiezen op basis van de vereisten van de installatie en de netnormen die van toepassing zijn.

---

4. Tools voor de Analyse van Harmonischen

Er zijn verschillende tools beschikbaar om harmonischen in een elektrisch systeem te analyseren en te verminderen. Deze tools kunnen helpen bij het ontwerpen van de juiste oplossing voor harmonischenreductie die voldoet aan de specifieke vereisten van een installatie. Het gebruik van softwaretools heeft als voordeel dat verschillende oplossingen snel vergeleken kunnen worden, zodat de beste keuze kan worden gemaakt voor een specifieke situatie.

Soorten Softwaretools voor Harmonischenanalyse

De beschikbare tools variëren van eenvoudige rekenprogramma’s voor niet-lineaire belastingen tot complexe simulatiepakketten voor het ontwerpen van volledige voedingssystemen. Deze tools kunnen helpen bij het analyseren van de harmonische vervorming en het optimaliseren van de oplossing voor harmonischenreductie.

VLT® Motion Control Tool MCT 31

• Type: Offline softwarepakket.
• Werking: MCT 31 gebruikt polynomische interpolatie tussen vooraf gedefinieerde simulatieresultaten om harmonischen te berekenen. Dit maakt het snel, maar minder nauwkeurig dan volledige simulaties.
• Voordelen:
  • Snelheid in berekeningen.
  • Simulatie van Danfoss-producten, inclusief oplossingen voor harmonischenbeperking, zoals AHF passieve filters en AAF actieve filters.
  • Simulatie van generieke frequentieregelaars van andere fabrikanten is mogelijk.
• Rapportage: MCT 31 kan harmonischenrapporten genereren op basis van de simulaties.
• Nauwkeurigheid: Minder gedetailleerd dan HCS, omdat het gebruik maakt van interpolatie in plaats van een gedetailleerde simulatie.

Harmonic Calculation Software (HCS)

• Type: Online tool, beschikbaar via www.danfoss-hcs.com.
• Versies:
  • Basic: Voor eenvoudige berekeningen van harmonischen.
  • Expert: Voor complexere berekeningen op systeemniveau.
• Werking: De webinterface van HCS maakt gebruik van een krachtige circuitsimulator die een simulatie uitvoert van het specifieke systeem dat door de gebruiker is ontworpen. Dit maakt de tool nauwkeuriger dan de MCT 31, die werkt op basis van interpolatie.
• Functies:
  • Simulaties van frequentieregelaars, passieve filters (AHF), en actieve filters (AAF) van Danfoss.
  • Grafieken in zowel het tijdsdomein als het frequentiedomein van spanningen en stromen in het systeem.
  • Vergelijking van de harmonischen met normgrenzen om de naleving van normen zoals IEEE 519 en IEC/EN 61000-3-x te controleren.
  • Rapportage: Het kan rapporten genereren in html- of pdf-formaat voor documentatie en analyse.
• Nauwkeurigheid: HCS is krachtiger en biedt een meer gedetailleerde simulatie dan de MCT 31, vooral geschikt voor systemen op systeemniveau.

Vergelijking van de Tools

Kenmerk	MCT 31	HCS (Harmonic Calculation Software)
Type	Offline	Online
Nauwkeurigheid	Minder nauwkeurig (polynomische interpolatie)	Zeer nauwkeurig (gedetailleerde circuitsimulatie)
Complexiteit	Eenvoudiger	Complexer (voor systeemniveau-berekeningen)
Beschikbaarheid	Offline, geïnstalleerd	Online via website
Gebruik	Snelle simulaties	Gedetailleerde simulaties en rapporten
Doelgroep	Simulaties voor eenvoudige situaties	Geavanceerde simulaties voor volledige systemen
Rapportage	Rapporten genereren	Rapporten genereren in HTML/PDF

Voordelen van het Gebruik van Softwaretools

• Vergelijking van Oplossingen: Met softwaretools kunnen verschillende oplossingen voor harmonischenbeperking snel worden vergeleken om de meest geschikte oplossing voor een bepaald systeem te kiezen.
• Betere Beslissingen: Door het simuleren van harmonischen en het vergelijken van verschillende oplossingen, kunnen engineers de beste optie kiezen voor de specifieke belasting en installatiesituatie.
• Normnaleving: Het gebruik van tools zoals HCS helpt om te zorgen dat de oplossing voldoet aan de relevante normen en voorschriften voor harmonischen, zoals IEC 61000-3-2, IEEE 519, en G5/4.

Conclusie

De keuze voor de juiste tool hangt af van de complexiteit van de toepassing en de nauwkeurigheid die vereist is. Voor snelle, eenvoudige simulaties kan de VLT® Motion Control Tool MCT 31 voldoende zijn. Voor gedetailleerdere en complexere analyses van harmonischen op systeemniveau is de Harmonic Calculation Software (HCS) de betere keuze. Beide tools bieden waardevolle ondersteuning bij het ontwerp en de optimalisatie van systemen om harmonischen te beperken en te voldoen aan de relevante normen.