Harmonische

Risico's van harmonische vervuiling

Harmonische vervuiling in een installatie kunnen tal van gevolgen hebben. Van defecte apparatuur tot uitgebrande verdeelkasten. Door de eigenschappen van harmonischen wordt de kabelweerstand hoger en zal er meer warmte in de kabels ontstaan. Daarnaast kunnen er hoge nulstromen gaan lopen die onvoorziene problemen kunnen veroorzaken.

Harmonischen zorgen voor extra blindvermogen (distortievermogen). Geschakelde apparatuur zoals frequentieregelaars kunnen soms tot wel meer dan 50% aan blindvermogen verbruiken door harmonischen.

Oorzaak harmonischen

Harmonischen ontstaan door hoge inschakelstromen. Telkens als bijvoorbeeld een diode of FET kortstondig geschakeld wordt ontstaat er een stroompiek. Stroom is afhankelijk van spanning, maar andersom is spanning ook afhankelijk van stroom. De grote stroompieken zorgen ervoor dat ook de vorm van de spanning veranderd. Hierdoor ontstaan de vervormde golven. Zie de afbeelding hiernaast (figuur 8) voor een voorbeeld van deze stroompieken.

Ieder apparaat heeft zijn eigen kenmerkende harmonischen. Zo ontstaan er in frequentieregelaars vaak 6e harmonischen en in ledlampen veel 3e harmonischen.

Stroompieken tasten de spanning aan

Figuur 8 Stroompieken tasten de spanning aan

Harmonischen uitgelegd

Een perfect onvervormd wisselsignaal ziet eruit zoals in de onderstaande afbeelding. Volgens de norm is dit de meest schone spanningsvorm die het spanningsnet kan leveren.

Helaas is dit in de praktijk heel anders. In de praktijk wordt de bovengenoemde spanning door veel verschillende factoren beïnvloed. Door deze invloeden kan deze spanning ontzettend vervormen. Een voorbeeld van zo’n vervormde sinus is te zien in figuur 2.

Om zo’n vervormde spanning te analyseren moet je deze eerst kunnen omschrijven. Wiskundig gezien is zo’n vervormde spanning vrijwel onmogelijk om exact te omschrijven. Gelukkig is het wel mogelijk deze spanningsvorm zeer nauwkeurig te benaderen. Dit kan gedaan worden door middel van harmonischen;

Iedere vervormd periodiek signaal is te benaderen door deze op te delen componenten. Deze componenten zijn ieder een veelvoud van de grondfrequentie (de laagste frequentie in het signaal, 50Hz bij het Europese spanningsnet). Met een veelvoud wordt bedoeld dat bijvoorbeeld bij 50Hz hier alleen frequenties van 100Hz, 150Hz, 200Hz, 250Hz, etc. in zitten. Elk component wordt een harmonische genoemd. Een 3e harmonische betekent in dit geval 150Hz, een 5e harmonische 250Hz etc.

Dit klinkt heel ingewikkeld om te begrijpen maar kan door middel van grafieken relatief eenvoudig in beeld worden gebracht: Stel er is een nominale 50Hz spanning van 230V-RMS zoals in figuur 3.

Naast de bovenstaande grondgolf nemen we een 3e harmonische van 150Hz. Deze 3e harmonische bevat maar 30% van de spanning van de grondfrequentie (69V-RMS). Zie figuur 4.

Als deze 3e harmonische (figuur 3) nu opgeteld wordt bij de standaard 50Hz sinus (figuur 4) ontstaat er een flink vervormde sinus. Zie onderstaande afbeelding:
Vervormde sinus door 3e harmonischen

Figuur 5 Vervormde sinus door 3e harmonische

Je kunt hieruit concluderen dat het bovenstaand signaal opgedeeld is uit twee componenten:
  1. 50Hz – 230V-RMS sinus
  2. 20% 3e harmonische (150Hz / 69V-RMS)
Nog een voorbeeld om het effect van meerdere harmonischen te laten zien:
In de onderstaande afbeelding staat een 5e harmonische met 20% van de spanning van de grondfrequentie.
Een 20% 250Hz 5e harmonische sinus

Figuur 6 Een 20% 250Hz 5e harmonische sinus

Als deze nu bij de grondgolf (figuur 3) en de 3e harmonische (figuur4) wordt opgeteld ontstaat er een spanning die nog meer vervormd is.
Een sterk vervormde sinus door 3e en 5e harmonischen

Figuur 7 Een sterk vervormde sinus door 3e en 5e harmonische

Je kunt hieruit concluderen dat het bovenstaand signaal opgedeeld is uit drie componenten:
  1. 50Hz – 230V sinus
  2. 0% 3e harmonische (150Hz / 69V-RMS)
  3. 20% 5e harmonische (250Hz / 46V-RMS)
Op deze manier kun je verder gaan met orde van harmonischen om elk willekeurig vervormd periodiek signaal zeer nauwkeurig te omschrijven. In het Power Quality gebied gaat dit tot en met de 50e harmonische, oftewel 2500Hz.

Een perfect onvervormd wisselsignaal

Figuur 1 Een perfect onvervormd wisselsignaal

Een vervormde sinus door de invloed van harmonische

Figuur 2 Een vervormde sinus door de invloed van harmonische

Een standaard 50Hz 230V sinus

Figuur 3 Een standaard 50Hz 230V sinus

Een 30% 150Hz 3e harmonische sinus

Figuur 4 Een 30% 150Hz 3e harmonische sinus

Wilt u de risico's door harmonische vervuiling voorkomen?

Neem contact met ons op. Wij zijn specialist op dit gebied.

Voor meer informatie over de verschillende karakteristieken van Power Quality nodigen wij u uit om verder te lezen op de pagina's over spanningsdips,  overspanningen Cos Phi.