Het risico van hogere harmonischen
Wanneer je bij de specificatie van (Led)verlichtingsarmaturen kijkt vind je (niet altijd) de term THD. Er staat dan bv. THD 15%. Dit betekent dat het percentage hogere harmonischen tov.de netstroom max. 15% is.
Wat zijn hogere harmonischen, wanneer zijn ze te hoog en wat zijn de gevolgen wanneer ze te hoog zijn?
Hogere harmonischen ontstaan wanneer de netstroom niet meer zuiver sinusvormig is. Dit kan een gevolg zijn van een niet zuiver sinusvormige netspanning, of een vervormde netstroom veroorzaakt door het verlichtingsarmatuur. Wanneer de netstroom of netspanning vervormd zijn, hoe bepaal je dan welke hogere harmonischen in het systeem aanwezig zijn?
Fourier analyse: Joseph Fourier, wiskundige (1768 – 1830) heeft aangetoond dat elke wiskundige functie geschreven kan worden als een som van sinussen en cosinussen met verschillende frequenties. (zie fig.1).
Fig 1
Rechthoekige functie (U) geschreven als een sinusvormige grondgolf (1) en een groot aantal harmonischen. In dit geval (3e, 5e, 7e en 9e). We spreken van een hogere harmonische wanneer deze een frequentie heeft die een veelvoud is van de grondgolf. Dit betekent dat wanneer een elektrische spanning of stroom niet zuiver sinusvormig is deze dus geschreven kan worden als de som van een aantal zuivere sinussen met verschillende frequenties. Bij een grondgolf van 50Hz heeft de 2e harmonische dus een frequentie van 2×50=100Hz, de 3e =harmonische 3×50=150Hz, enz.
Harmonic 1 is 50Hz
In bovenstaande twee grafieken zien we in fig.2 een groot aantal harmonische stromen met als resultaat een zeer hoge THD van 153% en een PF van 0,55. In Fig. 3 zijn er naast de 50Hz grondgolf nagenoeg geen hogere harmonischen, wat resulteert in een lage THD van 14% en een PF van 0,97. Op de hor. as staan de harmonische aangegeven als veelvoud van de grondgolf van 50Hz. En op de verticale as als het percentage van de netstroom van de grondgolf. Alhoewel bij hoge THD de PF laag is, mag niet geconcludeerd worden dat bij een lage THD de PF altijd hoog is. Aanbevolen wordt om altijd beide waarden te meten, zowel de PF als ook de THD.
Hoe meten we de THD. De formule voor het berekenen van het percentage van de THD:
We hoeven echter niet altijd deze berekening te maken. Een spectrum annalyser geeft de waarden van de verschillende harmonischen direct op het scherm weer.
Wat zijn de belangrijkste oorzaken van hogere harmonischen:
#1) De aangeboden netspanning kan hogere harmonischen bevatten, dit zal in Nederland niet vaak voor komen. In Nederland zullen de openbare elektriciteit leveranciers voldoen aan de afgesproken standaard voor max. THD volgens EN50160
#2) Een ander geval is het wanneer de net spanning geleverd wordt door een lokale generator. Dit is nogal eens het geval bij grote bedrijven waar onder horticulture bedrijven. In deze gevallen is het aanbevolen om de THD op locatie te meten en niet te vertrouwen op de laboratorium metingen met zuivere sinusvormige stroom en spanningen.
#3) Het led armatuur zelf is verantwoordelijk voor het generen van hogere harmonischen. Dit kan zowel door de lichtbron als de driver veroorzaakt worden, met name de “oude” gas-ontladings lampen veroorzaken hogere harmonischen. Wanneer bij de nieuwe Led armaturen hogere harmonischen worden gemeten licht dit voornamelijk aan de kwaliteit van de driver.
#4) Ook dimmers kunnen hogere harmonischen veroorzaken. Wanneer de lichtbron wordt gedimd neemt het percentage hogere harmonischen tov. De 50Hz grondgolf vaak toe, echter de absolute stroom waarden van de afzonderlijke harmonischen worden lager. Echter, ondanks dat de absolute stroomwaarden lager worden, wordt er niet aan de eisen mbt toegestane max. percentage hoger harmonischen (THD %) voldaan.
Wanneer is de THD te hoog. Voor verlichtingsarmaturen > 25W zijn hier zijn normen voor beschreven in EN 61000-3-2. Voor vermogens < 25W gelden (nog) geen eisen.
Verplichtingen van de fabrikant Op dit onderwerp zijn voor producten (het armatuur) twee richtlijnen van toepassen. Let op dit wordt een richtlijn genoemd maar is een wettelijke eis en fabrikanten zijn verplicht om aan die eisen te voldoen als ze producten willen leveren.
- EMC richtlijn
- ErP richtlijn
- In sommige gevallen geld de RED richtlijn
Om aan de EMC richtlijn te voldoen wordt de norm EN 61000-3-2 gebruikt. Deze norm vereist een arbeidsfactor van 0,9 voor armaturen met een vermogen > 25 W. Ook zijn in die norm eisen gesteld aan de specifieke harmonischen.
Voor vermogens onder de 25 W kent de EMC richtlijn geen norm. Echter de ErP richtlijn kent daar weer wel eisen. De eisen zijn daar:
≤ 2 W: Geen eisen
> 2 W en ≤ 5 W: λ ≥ 0,4
> 5 en < 25 W: λ ≥ 0,5
≥ 25 W: λ ≥ 0,9
Wat zijn de gevolgen van een te hoge THD.
#1) Een te hoge THD kan verantwoordelijk zijn voor een slechte (lage) PF. Let op een lage THD is nog geen garantie voor een hoge PF.
#2) Een te hoge THD kan ook storingen in het netwerk veroorzaken waardoor met name gevoelige elektronische apparatuur ontregeld kan raken.
Meestal zal ook niet aan de EMC (radiostoring) worden voldaan.
Voldoen aan EMC, is een harde eis om CE te mogen voeren. (ook voor < 25W)
Harmonischen en 3fase schakeling met nul leider.
Bij een 3fase schakeling met nul leider vereist een te hoge THD extra aandacht. Bij een goed gebalanceerde 120º 3fase schakeling is de vectoriële som van de 3fase geleider stromen door de nul leider 0. Dit betekent dat er geen stroom door de “nul leider” loopt. (vandaar ook de naam nul leider). Echter bij de hogere harmonischen, met name de 3e, 9e, 15e,21e geldt dit niet. Deze harmonischen van de 3 afzonderlijke fase geleiders zijn in fase met elkaar en accumuleren in de nul leider. (Fig. 4)
Fig 4
Fundamental in 3fase mains
R, S, en T zijn de fundamentals in de 3fase geleiders
a=3e harmonische stroom van één fase.
b=3e geaccumuleerde harmonische van alle 3 de fasen in de nul leider, de afzonderlijke harmonische stromen versterken elkaar. Behalve de 3e harmonische cumuleren ook de 9e, 15e, 21e enz. harmonischen in de nul leider.
Het berekende THD % geeft het percentage weer van de hoogste waarde van de afzonderlijke fase geleider. Dit heeft tot gevolg dat deze 3e harmonische stromen in de afzonderlijke fasen kunnen voldoen aan de max. toegestane 3e harmonische waarde van ca. 30%. Echter wanneer we de 3e, 9e, 15e, en 21e bij elkaar optellen kan deze waarde veel hoger worden dan 30%.
Voorbeeld.
THD veelvoud 3e harmonische.
3e harmonische </= 30%, echter de cumulatieve stroom in nul leider is ca. 2xfase stroom.
Bovenstaand voorbeeld laat zien dat ondanks dat de 3e harmonische met </= 30% ten gevolge van het resterende 3e harmonischen veelvoud (9e, 15e,21e, enz.) de stroom door de nul leider uiteindelijk ca. 2x zo hoog wordt dan de afzonderlijke fase stromen. Dit heeft tot gevolg dat de nul leider overbelast raakt en zeer ernstig brandgevaar kan ontstaan.
Som in één fase: = (3e)30% +(9e)15% +(15e)10% + (21e)9% = 64% . Voor alle 3 de fasen gezamenlijk is dit 3×64% = 192%, of te wel ca. 2x de afzonderlijke fase stroom.
Conclusie.
Het THD% is een zeer belangrijke parameter in de kwaliteit en veiligheid in de specificatie van een armatuur.
Om meer inzicht te krijgen in de opbouw van deze harmonischen adviseert EMB niet alleen op de THD specificatie van de leverancier af te gaan (indien aanwezig) maar altijd en indien een locatie het risico heeft op aanwezige net vervuiling, de THD op de locatie te bepalen.
ing. Dick van Riel, 07-03-2018 www.EMB-consultancy.nl
Ook gepubliceerd op Armaturenregister.nl