Harmonischen: Invloed op spannings- en stroomsinusgolven in elektrische netwerken | A. Eberle
Harmonischen zijn gehele veelvouden van de fundamentele frequentie en kunnen spannings- en stroomsinusgolven vervormen.
Definitie van harmonischen
Harmonischen zijn frequentiecomponenten waarvan de frequenties een geheel veelvoud zijn van de grondfrequentie. In elektriciteitsnetten ontstaan ze wanneer niet-lineaire belastingen de stroom- of spanningssinus vervormen en bijkomende frequentiecomponenten veroorzaken.
Belangrijke feiten over harmonischen
- Harmonischen zijn gehele veelvouden van de grondfrequentie, bijvoorbeeld 250 Hz als 5e harmonische in een 50 Hz-net.
- Ze worden voornamelijk veroorzaakt door niet-lineaire belastingen en moderne vermogenselektronica zoals frequentieregelaars, omvormers en schakelende voedingen.
- Power Quality-meettoestellen splitsen spannings- en stroomsignalen op in afzonderlijke frequentiecomponenten en maken harmonischen, interharmonischen en supraharmonischen zichtbaar.
- Mogelijke gevolgen zijn elektromagnetische storingen, extra opwarming, storingen in apparatuur, een kortere levensduur van installaties en een verminderde werking van meet- en beveiligingsapparatuur.
Oorzaken van harmonischen en netverstoringen
De verandering in energietechnologie
Om energie efficiënter te gebruiken, worden tegenwoordig veel toepassingen aangestuurd met vermogenselektronica. Zo wordt een asynchrone motor vaak vervangen door een frequentieregelaar of wordt een toestel uitgerust met een schakelende voeding in plaats van een transformator.
In tegenstelling tot de vroegere technologie nemen moderne toestellen doorgaans geen zuiver sinusvormige stroom meer af van het net. Power Quality-meettoestellen analyseren deze stroom en ontleden hem in een spectrum van verschillende frequenties. Binnen de Power Quality-analyse worden netverstoringen tegenwoordig onderverdeeld in harmonischen, interharmonischen en, meer recent, supraharmonischen.
Harmonischen worden gedefinieerd als veelvouden van de grondfrequentie (voorbeeld: 250 Hz = 5e harmonische bij een grondfrequentie van 50 Hz).
Wanneer frequenties zich tussen twee gehele veelvouden van de grondfrequentie bevinden, spreekt men van interharmonischen of tussenharmonischen.
Binnen de Power Quality-meettechniek en de relevante normen worden alle interharmonischen binnen een bepaald frequentiebereik doorgaans samengevoegd tot één waarde. Bijvoorbeeld: alle frequenties tussen meer dan 350 Hz en minder dan 400 Hz worden opgenomen in de 7e interharmonische.
Onderstaande figuur toont een frequentiespectrum van de spanning van DC tot 20 kHz in een openbaar elektriciteitsnet. Hierin zijn zowel harmonischen als supraharmonischen zichtbaar, die in dit geval werden veroorzaakt door een aandrijving met frequentieregelaar. De hoogste niveaus bevinden zich rond 10 kHz met ongeveer 1,8 V.
Synoniemen en verwante begrippen
In de elektrotechniek worden verschillende termen gebruikt om harmonischen en verwante verschijnselen te beschrijven:
- Harmonische
- Netharmonische
- Harmonische stromen
- Harmonische spanningen
- Interharmonischen en supraharmonischen
Belang van harmonischen in relatie tot EMC
Harmonischen zijn ongewenste hogere frequenties die bovenop de grondgolf worden gesuperponeerd en daardoor een vervormde sinusvorm veroorzaken. Deze vervormingen kunnen leiden tot elektromagnetische storingen (EMI) en zo de elektromagnetische compatibiliteit (EMC) negatief beïnvloeden.
Dit is bijzonder belangrijk binnen de energievoorziening, omdat harmonischen een negatieve invloed hebben op de efficiëntie en levensduur van elektrische toestellen en installaties.
De EMC-norm IEC 61000-2-2 bepaalt vandaag de spelregels voor openbare elektriciteitsnetten. Met grenswaarden tot 150 kHz legt deze norm vast of een verbruiker te veel storingen in het net injecteert of dat een gestoord toestel onvoldoende storingsbestendig is.
Met de juiste meettechnologie kan dit worden aangetoond:
Ligt het storingsniveau onder de grenswaarden en wordt een toestel toch beïnvloed, dan is de storingsimmuniteit van het toestel waarschijnlijk onvoldoende.
Worden de grenswaarden overschreden, dan is het vrijwel zeker dat de storingsbron te veel netvervuiling veroorzaakt.
Oorzaken en gevolgen
Harmonischen in het wisselspanningsnet
Harmonischen in het AC-net zijn frequenties die hoger liggen dan de frequentie van de grondgolf van het elektriciteitsnet. Ze veroorzaken een vervorming van de spannings- en stroomsinus en vormen een vorm van elektromagnetische vervuiling van het elektriciteitsnet.
Deze vervormingen worden uitgedrukt als een percentage en worden aangeduid als THD (Total Harmonic Distortion).
De THD-waarde geeft de verhouding weer tussen alle harmonische spanningen of stromen enerzijds en de grondfrequentie anderzijds, doorgaans de netfrequentie van 50 Hz.
Typische bronnen en frequentiebereiken van netverstoringen in moderne elektriciteitsnetten
- Frequentieregelaar: 4 kHz tot 20 kHz
- Zonne-omvormer (400 V): 16 kHz tot 22 kHz
- Windturbine (middenspanningsnet): 2 kHz tot 6 kHz
- Laadinfrastructuur voor elektrische voertuigen: 10 kHz tot 80 kHz
- Actieve netfilters: 8 kHz tot 20 kHz
- UPS-systemen: 15 kHz tot 25 kHz
- Verlichting met elektronische voorschakelapparaten: 20 kHz tot 200 kHz
- Schakelende voedingen: 30 kHz tot 300 kHz
Samenvatting
Harmonischen vormen een belangrijke factor binnen de elektriciteitsvoorziening en hebben een directe invloed op de elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Ze worden veroorzaakt door verbruikers en voedende installaties die vervormingen in de elektrische spanning veroorzaken en zo storingen terug het net in sturen.
Harmonischen treden op als frequenties boven of onder de grondfrequentie van de spanningssinus en omvatten ook verschijnselen zoals interharmonischen en supraharmonischen.
Hun invloed op de efficiëntie, betrouwbaarheid en stabiliteit van elektriciteitsnetten en elektrische installaties is aanzienlijk en mag daarom niet worden onderschat.
Soorten harmonischen
Wanneer is een oscillatie harmonisch en wanneer niet?
Harmonischen zijn oscillaties die voorkomen boven of onder de grondfrequentie. Van een harmonische oscillatie is sprake wanneer de beweging van een oscillerend lichaam overeenkomt met de projectie van een eenparige cirkelbeweging en kan worden beschreven met een sinus- of cosinusfunctie. Een oscillatie kan ook als harmonisch worden omschreven wanneer de terugdrijvende kracht tegengesteld gericht is aan de uitwijking en evenredig is met de afwijking van de evenwichtspositie. Deze voorwaarden bepalen wanneer een oscillatie vanuit fysisch oogpunt als harmonisch wordt beschouwd.
Niet-harmonische oscillaties voldoen niet aan deze voorwaarden. Ze vertonen geen eenparige cirkelbeweging en de terugdrijvende kracht is niet evenredig met de uitwijking.
Naast harmonischen bestaan er nog andere soorten net- en spanningsverstoringen die met geschikte meettechnologie kunnen worden gedetecteerd.
Transiënten
Transiënten zijn kortdurende, plotselinge spannings- of stroompieken die ontstaan door snelle veranderingen in het net, zoals:
- Blikseminslagen
- Schakelhandelingen
- Plotse belastingswijzigingen
Ze kunnen elektronische apparatuur verstoren of beschadigen.
Flicker
Flicker verwijst naar snelle, herhaalde spanningsschommelingen die zichtbaar worden als flikkeringen van verlichting.
Deze spanningsvariaties worden vaak veroorzaakt door:
- Lasapparatuur
- Grote elektromotoren
- Windturbines
- Spanningsasymmetrie
Spanningsasymmetrieën ontstaan wanneer de spanning in een driefasig netwerk ongelijk verdeeld is.
Dit kan leiden tot:
- Ongelijke belasting van de fasen
- Extra opwarming van installaties
Mogelijke oorzaken zijn:
- Ongelijk verdeelde belastingen
- Defecte transformatoren
- Foutieve bekabeling
Eerste, tweede, derde en n-de harmonische
De fundamentele sinus wordt de 1e harmonische genoemd.
- De 1e harmonische heeft dezelfde frequentie als de grondfrequentie.
- De 2e harmonische heeft een frequentie die twee keer zo hoog is.
- De 3e harmonische heeft een frequentie die drie keer zo hoog is.
- Voor de n-de harmonische bedraagt de frequentie n maal de grondfrequentie.
Interharmonischen en supraharmonischen
Interharmonischen ontstaan wanneer frequenties zich bevinden tussen twee gehele veelvouden van de grondfrequentie. Ze worden vaak veroorzaakt door niet-lineaire belastingen en veroorzaken bijkomende verstoringen in het elektriciteitsnet.
Supraharmonischen zijn frequenties die hoger liggen dan het klassieke harmonische frequentiebereik en eveneens elektromagnetische storingen kunnen veroorzaken.
Samengevat:
- Harmonischen zijn gehele veelvouden van de grondfrequentie.
- Niet-harmonische oscillaties voldoen niet aan deze voorwaarde.
- Interharmonischen bevinden zich tussen twee harmonischen.
- Supraharmonischen bevinden zich boven het klassieke harmonische bereik.
Al deze frequentiecomponenten kunnen de Power Quality beïnvloeden.
Oorsprong en effecten van harmonischen
Hoe en waar ontstaan harmonischen?
Harmonischen ontstaan in elektrische netwerken door niet-lineaire toestellen en installaties die de sinusvorm van spanning en stroom vervormen.
Idealiter zou de elektrische spanning een perfecte sinusvorm moeten hebben waarbij de polariteit gelijkmatig wisselt tussen positieve en negatieve waarden.
In de praktijk komt deze ideale sinusvorm vandaag vrijwel nergens meer voor.
Oorzaken van harmonischen
- Niet-lineaire apparatuur: Toestellen zoals: Transformatoren, Fluorescentieverlichting hebben een niet-lineaire karakteristiek die harmonischen veroorzaakt.
- Vermogenselektronica: Apparatuur zoals: Gelijkrichters, Triacs, Thyristoren genereert niet-sinusvormige stromen die het elektriciteitsnet verstoren.
- Schakelende voedingen: Schakelende voedingen worden veel gebruikt in: Televisies, Computers, Halogeenverlichting
Ze veroorzaken stroomvervormingen die leiden tot harmonische stromen en daardoor ook tot spanningsvervormingen.
Deze factoren verstoren het lineaire stroomverbruik en veroorzaken harmonischen.
Harmonischen zijn al bekend sinds de eerste elektriciteitsnetten. Door de toenemende toepassing van frequentieregelaars en vermogenselektronica nemen deze vervormingen tegenwoordig echter sterk toe.
Welke negatieve effecten en risico's kunnen harmonischen veroorzaken?
Extra opwarming
Harmonischen veroorzaken extra opwarming van:
- Driefasige motoren
- Wisselstroommotoren
- Generatoren
Deze bijkomende opwarming vermindert de levensduur en efficiëntie van de installaties.
Verkorte levensduur
Toestellen zoals lampen kunnen sneller slijten door hogere gloeidraadtemperaturen.
Harmonische trillingen kunnen de levensduur van elektrische apparatuur aanzienlijk verkorten.
Storingen en overbelasting
Fluorescentielampen en de bijbehorende condensatoren kunnen door harmonischen worden verstoord of overbelast. Dit kan leiden tot:
- Storingen
- Uitval van apparatuur
Beschadiging van toestellen
Hoge piekstromen veroorzaakt door harmonischen kunnen leiden tot een zogenaamde nulpuntverschuiving.
Hierdoor kunnen toestellen, vooral in driefasige AC-netten, beschadigd raken of zelfs defect gaan.
Functionele storingen
Harmonischen kunnen storingen veroorzaken door:
- Verschuiving van nuldoorgangen
- Meervoudige nuldoorgangen
Dit beïnvloedt onder andere:
- Vermogensomvormers
- Synchronisatieapparatuur
- Parallelschakelinstallaties
- Invloed op beveiligings- en meetapparatuur
Beveiligingsapparatuur zoals:
- Afstandsbeveiligingen
- Overstroombeveiligingen
- Differentiaalbeveiligingen
kan negatief worden beïnvloed door harmonischen.
Ook de nauwkeurigheid van energiemeters kan afnemen.
Verstoring van toonfrequentontvangers
Harmonischen kunnen de werking van toonfrequentontvangers negatief beïnvloeden, wat kan leiden tot storingen en functieverlies.
Storingen in IT-systemen
Harmonischen kunnen ernstige problemen veroorzaken in IT-omgevingen, waaronder:
- Bedrijfsuitval
- Systeemcrashes
- Defecte modules
- Interfaceproblemen
- Prestatieverlies
- Dataproblemen
- Flikkerende beeldschermen
Samengevat vormen harmonischen een aanzienlijk risico voor de stabiliteit en efficiëntie van elektrische netwerken en aangesloten apparatuur.
Ze kunnen leiden tot:
- Extra opwarming
- Verkorte levensduur
- Storingen en uitval
- Prestatieverlies
- Ernstige functionele problemen
Daarom is het belangrijk om harmonischen te meten, monitoren en beheersen om een hoge spanningskwaliteit en bedrijfszekerheid te garanderen.
FAQ – Veelgestelde vragen
Wat zijn harmonischen in een elektriciteitsnet?
Harmonischen zijn frequentiecomponenten die voorkomen als gehele veelvouden van de grondfrequentie. In een 50 Hz-net komt bijvoorbeeld 250 Hz overeen met de 5e harmonische.
Wat veroorzaakt harmonischen?
Harmonischen worden hoofdzakelijk veroorzaakt door niet-lineaire belastingen en vermogenselektronica.
Voorbeelden zijn:
- Frequentieregelaars
- Zonneomvormers
- UPS-systemen
- Actieve netfilters
- EV-laadinfrastructuur
- Schakelende voedingen
Wat is het verschil tussen harmonischen, interharmonischen en supraharmonischen?
- Harmonischen zijn gehele veelvouden van de grondfrequentie.
- Interharmonischen bevinden zich tussen twee harmonischen.
- Supraharmonischen liggen boven het klassieke harmonische frequentiebereik.
Waarom zijn harmonischen belangrijk voor Power Quality?
Harmonischen vervormen spannings- en stroomsinussen.
Mogelijke gevolgen zijn:
- Extra opwarming
- Verminderde levensduur van apparatuur
- Storingen
- Beïnvloeding van meet- en beveiligingsapparatuur
- EMC-problemen
Hoe kunnen harmonischen worden gemeten?
Harmonischen kunnen worden gemeten met Power Quality-meettoestellen.
Deze toestellen analyseren spanning en stroom in het frequentiedomein en maken harmonischen, interharmonischen en andere netverstoringen zichtbaar.
Meting van harmonischen met Class A-meettoestellen (IEC 61000-4-30 Ed. 3) van A. Eberle
PQMobil – Onze mobiele Power Quality-analyzers
Detecteer harmonischen en netverstoringen zoals flicker, transiënten en spanningsasymmetrieën op een betrouwbare manier.
De PQ-Box-familie bestaat uit krachtige, draagbare net- en frequentieanalyzers, vermogensmeters en transiëntenrecorders voor spanningsbewaking en Power Quality-metingen.
Bij de ontwikkeling van deze toestellen stonden gebruiksvriendelijkheid en praktische inzetbaarheid centraal. Om de oorzaak van netverstoringen snel te kunnen lokaliseren, beschikken de toestellen over een uitgebreid aanbod aan triggerfuncties.
Alle mobiele netanalyzers voldoen aan beschermingsklasse IP65 en kunnen daardoor zowel binnen als buiten worden gebruikt. Daarnaast beschikken ze over een breed bedrijfstemperatuurbereik van -20 °C tot +60 °C.
Ze voldoen eveneens aan de eisen van de meettoestelnormen IEC 61000-4-30 Ed. 3, IEC 62586-1 en IEC 62586-2 Ed. 2 voor Class A-meettoestellen.
PQSys – Onze permanent geïnstalleerde Power Quality-netanalyzers en storingsrecorders
Vandaag voorbereid op de eisen van morgen
De permanent geïnstalleerde storingsrecorders en Power Quality-netanalyzers PQI-LV, PQI-DA smart, PQI-DE en PQI-D vormen de centrale componenten van een systeem dat meettaken kan uitvoeren in laag-, midden- en hoogspanningsnetten.
Deze analyzers kunnen worden gebruikt als:
- Storingsrecorders met een bemonsteringsfrequentie tot 41 kHz
- Power Quality-meettoestellen conform EN 50160 en IEC 61000-2-2/-4
- Vermogensanalyzers
Ze zijn bijzonder geschikt voor het bewaken van specifieke referentiekwaliteiten of kwaliteitsovereenkomsten tussen een energieleverancier en zijn klant, het registreren van deze gegevens en het beschikbaar stellen ervan voor analyse of archivering.
Moderne Power Quality-meettoestellen werken volgens de norm IEC 61000-4-30 Ed. 3. Deze norm definieert gestandaardiseerde meetmethoden om een vergelijkbare en reproduceerbare basis voor alle gebruikers te creëren.