Eliminatie van harmonischen in installaties - apc.com · 2 Harmonischen (vervolg) Definitie, oorsprong en typen harmonischen . Harmonischen. Harmonischen zijn sinusvormige stromen

1

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.

2

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.

PC. Aandrijving met variabele

snelheid. TL-lamp.

Fig. 3.2. Voorbeelden van niet-lineaire belastingen die harmonischen veroorzaken.

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.


3


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.

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.


4


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.


5


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

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.

Zie WP 17

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 IH IH IH IHk= + + + + +1

22

23

2 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.

Hk% = vervorming van harmonische k = 100

1

IHIH

k

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:

THD* % = totale vervorming = 100 rms value of allharmonicsrms value of fundamental

* Total Harmonic Distortion (totale harmonische vervorming). De volgende waarden zijn gedefinieerd: • TDHU % voor de spanning, op basis van de spanningsharmonischen,


6


• 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

IH IH IH HIH

k%... ...

=+ + + + +

100 22

32

42 2

1

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.

Fc

peak valuerms 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.

Ingangsstroom van een driefasige gelijkrichter.

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

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.

)kVA(S)kW(P

=λ

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:

)kVA(S)kW(Pcos

1

11 =ϕ

waarbij P1 en S1 respectievelijk het actieve en reactieve vermogen zijn, overeenkomstig met de grondwaarden. Vervormingsfactor De vervormingsfactor wordt gedefinieerd als:

1cos1 2THDI

1

ϕλ

=−=+1

v (zoals gedefinieerd door IEC

60146). Wanneer er geen harmonischen zijn, is deze factor gelijk aan 1 en is de vermogensfactor gewoon de cos ϕ.


7


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,

22 QPS += 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 = 3IUS 111 = • P actieve grondfrequentie = P1 = S1 cos ϕ1 • P reactieve grondfrequentie Q1 = S1 sin ϕ1

22121 DQPS ++= waarbij D het vervormende vermogen is, vanwege de harmonischen.

Effecten van 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.

In elektrische apparaten produceren harmonischen geen actief noch reactief vermogen, alleen verliezen via het Joule-effect (ri2).

Dit wordt uitgedrukt door de relatie 22121 DQPS ++= 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 IHk

2).

Zie WP 26

Zie White Paper nr. 26 “Hazards of Harmonics and Neutral Overloads” voor meer informatie.


8


Fig. 3.7. U x I producten voor basisfrequenties (boven) en voor basisfrequenties met harmonischen (onder). Temperatuurstijging in kabels Temperatuurstijging vanwege

harmonische stromen verergert de temperatuurstijging die er al was door de grondstroom.

Temperatuurstijging in kabels wordt uitgedrukt als:

Verliezen = ∑∞

=1n

2IHnr


9


Stroom in de nulleider De nulleider moet vergroot worden om rekening te houden met de harmonische stromen van de derde rangorde en hun veelvouden.

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 Inulleider

2 = temperatuurstijging in de nulleider.

Fig. 3.8. Harmonischen van de derde rangorde en hun veelvouden worden opgeteld in de nulleider. Zelfvervuilende belastingen 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.

Spanningsvervorming weerspiegelt de vervorming van de stroom en neemt toe met de som van de impedanties stroomopwaarts van de niet-lineaire belasting.

Fig. 3.9. Effecten van harmonischen overal in de installatie.


10


Risico van defect raken van condensator De waarde van een stroom in een condensator is gelijk aan:

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.

.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 60) Hz, LCωk

2 ˜ 1, waarbij ω= 2 π fk.

resonantLC circuit All

non-linearloads

Sourceimpedance

(transformer) inparallel with that

of other loadssupplied

harmoniccurrents

IH

L C

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 Een aantal effecten wordt gecombineerd:

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.

• 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:

∑∞=

=

+

=n

2n

1,62nnH0,11

1k

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. 11


Risico van verstorende generators

Net als transformators, lijden generatoren aan uitval vanwege hysterese en Foucault-stromen.

Praktisch gezien, mag de THDI van de stroom in de generator niet hoger zijn dan 20%. Daarboven is reductie noodzakelijk.

• 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.

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.

12

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 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/R-verhouding 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.

Voor datacentra, zie “Harmonische stromingen in het datacentrum: Een praktijkgeval”.

Zie WP 38

Fig. 3.11. Verhoogde kabeldwarsdoorsneden om vervorming en verliezen te beperken.


13


Fig. 3.12. Invloed van kabeldwarsdoorsneden op Lω/R.

Schneider Electric-oplossing voor het elimineren van harmonischen

Er zijn verschillende soorten oplossingen voor het uitschakelen van harmonischen. 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.




Tabel met opsomming van de mogelijke strategieën tegen harmonischen Strategie Voordelen Nadelen Schneider Electric-oplossingen Omgaan met harmonischen Toename van de vermogens van bronnen en/of de dwarsdoorsneden van kabels

Vermindering van voeding naar THDU door het verlagen van de bronimpedantie. Vermindering van Joule-verlies.

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 niet-lineaire belastingen.

Beperkt storingen aan naastgelegen belastingen door middel van ontkoppeling.

Hetzelfde als hierboven.

Harmonischen deels elimineren Afgestemde passieve filters.

Eenvoudige oplossing. Slechts voor een of twee harmonische rangordes. Breedbandfilters zijn niet erg effectief. Kans op resonantie. Dure ontwerpkosten zijn noodzakelijk.

Bereik van passieve filters Inclusief oplossingen voor dubbele brug en faseverschuiving

Inductoren stroomopwaarts van de niet-lineaire belastingen.

Reductie in harmonische stromen. Beperkt de effecten van tijdelijke overspanningen.

Toename in THDU langs de contacten van de belasting.

Speciale transformators. Eliminatie van alleen bepaalde harmonische rangorden. Niet-standaard constructie.

Harmonischen volledig elimineren Actieve harmonische spanningsregelaars.

Eenvoudige en flexibele oplossing.

Totale eliminatie van alle harmonischen is mogelijk (tot aan de 25ste rangorde), instelbaar (actie configureerbaar) en herbruikbaar systeem.

AccuSine

actieve spanningsregelaars

15

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 Vermogensniveau

50/60 Hz-systemen

Belangrijkste kenmerken

Toepassingen

AccuSine 20 tot 480 A

380 tot 415 V 3 Ph+N en 3 Ph

● Filteren tot H25 ● Digitale actieve spanningsregeling met: - analyse en spanningsregeling van afzonderlijke rangorden - reactietijd 40 ms voor fluctuerende belastingen

Filteren van commerciële, infrastructuur- en industriële systemen met een gemiddeld stroomverbruik, 3Ph+N en 3 Ph, enkelfasige 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.


16

AccuSine


SourceIH Non-linear

load

Active harmonicconditioner

IFA

Measurementof load

harmonics

Injection ofcompensation

current

IF + IH

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.


17

AccuSine


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.


18

AccuSine


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.


19

AccuSine


Vergelijking van installatiemogelijkheden Type spanningsregelaar Voordelen Nadelen Toepassingen Totaal (MLVS-niveau)

Voordelig. Ontziet generatoren (transformators, generatoren).

Harmonischen blijven in het stroomafwaartse deel van de installatie. Kabels moeten extra groot zijn.

In overeenstemming met netvereisten. Voorkom het injecteren van harmonischen stroomopwaarts van de installatie.

Gedeeltelijk (secundaire-schakelkastniveau)

Voorkom te grote kabels tussen de primaire en secundaire schakelkasten. Opnieuw combineren van bepaalde harmonischen kan zorgen voor een lager vermogen van de spanningsregelaar.

Harmonischen blijven aanwezig tussen de secundaire schakelkast en de niet-lineaire belasting. Uitgaande kabels naar de belasting moeten extra groot zijn.

Grote gebouwen. Spanningsregeling regelmatig verdeeld over elke etage of reeks etages. Een aantal circuits voeden niet-lineaire belastingen.

Lokaal (belastingsniveau)

Eliminatie van harmonischen waar deze zich voordoen. Minder verlies in alle kabels, tot aan de bron.

Duur wanneer een aantal spanningsregelaars is vereist.

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, TL-verlichtingssystemen.

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

non-linearload

active harmonicconditioner

CT to measure loadharmonics

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.


20

AccuSine


IF + IH

IF IH

non-linearload

active harmonicconditioner

CT2 to measureconditioner current

information on current to bereinjected

(différence CT1 - CT2)

CT1 to measuresource current

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):

12n

2n

UH

UH

100%THDU∑∞

==

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.


21

AccuSine


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(nω)) IHn. Voor alle spanningsgeregelde harmonischen, IHn = 0 en vervolgens, UHn = 0. Conclusie over actieve spanningsregeling Procedure voor het

implementeren van 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).



AccuSine


- 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.

Documents

Eliminatie van harmonischen in installaties - apc.com · 2 Harmonischen (vervolg) Definitie, oorsprong en typen harmonischen . Harmonischen. Harmonischen zijn sinusvormige stromen