Auteur: Dick Van Riel

Het risico van harmonische vervorming.

Hogere harmonischen ontstaan wanneer de netstroom niet meer zuiver sinusvormig is. Dit kan een gevolg zijn van een niet zuiver sinusvormige netspanning, of een vervorming van de netstroom veroorzaakt door toegepaste elektronica in o.a. verlichtingstoestellen. Wat zijn de gevolgen en hoe drukken we dit uit. Wat zijn de wettelijke eisen. In dit artikel proberen we hier meer duidelijkheid over te geven.

Wanneer een netspanning/stroom vervormd is kan dit problemen op leveren in de installatie. Wat is harmonische vervorming? Joseph Fourier, wiskundige (1768 – 1830) heeft aangetoond dat elke wiskundige functie geschreven kan worden als een som van sinussen en cosinussen met verschillende frequenties. In onderstaande figuur staat een blokspanning weergegeven. In de figuur zie je tevens hoe de blokspanning middels verschillende sinusvormige spanningen is opgebouwd zoals Fourier beschreef.

De totale harmonische vervorming (THD, Total Harmonic Distortion). De wortel uit de som van de harmonische stromen in het kwadraat gedeeld door de basis stroom stroom in het kwadraat (in procent). We spreken van een hogere harmonische wanneer deze een frequentie heeft die een veelvoud is van de grondgolf. Bij onze netspanning van 50Hz (grondgolf) heeft de 2e harmonische een frequentie van 2 x 50 = 100 Hz, de 3e harmonische 3 x 50 = 150 Hz, enz.

In formule vorm:

Bepaling van de harmonische stromen

Om de waarde te bepalen maken we gebruik van gespecialiseerde apparatuur die ons direct de waarde van de harmonischen geeft en ook direct de THD bepaald. Belangrijk is wel om te bepalen volgens welke specificatie het instrument meet. Als de vervorming sterker is zijn vaak hogere frequenties aanwezig. Afhankelijk van de apparatuur worden die wel of niet mee gemeten. Ook kan het zijn dat de meetnorm een specifiek bereik voorschrijft.

Wat is het risico van een hoge THD?

Verstoring van andere apparatuur:

Een hoge THD kan storingen in het netwerk veroorzaken waardoor met name gevoelige elektronische apparatuur ontregeld kan raken.

Ongemerkte overbelasting van het net:

Bij een goed gebalanceerde 3 fase schakeling is de vectoriële som van de 3 fase geleider stromen door de nul leider 0. Dit betekent dat er geen stroom door de “nul geleider” loopt. 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 geleider.

R, S, en T zijn de grondgolven in de 3-fase geleiders. a = 3e harmonische stroom van één fase. b = 3e gecumuleerde harmonische van alle 3 de fasen in de nul geleider. De afzonderlijke harmonische stromen versterken elkaar. Behalve de 3e harmonische cumuleren ook de 9e , 15e, 21e enz. harmonischen in de nul geleider.

De THD geeft het percentage weer van de hoogste waarde van de afzonderlijke fase geleiders. 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%.

Een voorbeeld:

Bovenstaand voorbeeld laat zien dat ondanks dat de 3e harmonische ≤ 30% is, ten gevolge van het resterende harmonischen de stroom door de nul geleider uiteindelijk ca. 2 x zo hoog wordt dan de afzonderlijke fase stromen. Dit heeft tot gevolg dat de nul leider overbelast raakt en brandgevaar kan ontstaan.

In dit voorbeeld; Som in één fase: = (3e)30% +(9e)15% +(15e)10% + (21e)9% = 64% .
Voor alle 3 de fasen gezamenlijk is dit 3 x 64% = 192%, of ca. 2 x de afzonderlijke fase stroom.

Oorzaken van harmonische vervorming

De belangrijkste oorzaken van vervorming:

a) De aangeboden netspanning kan hogere harmonischen bevatten. De elektriciteit leveranciers moeten voldoen aan de afgesproken standaard voor max. THD volgens EN 50160

b) Een ander geval is het wanneer de net spanning geleverd wordt door een lokale generator. Bij grote bedrijven of waar onder horticulture bedrijven komt dit nog al eens voor.

c) Het led armatuur zelf is verantwoordelijk voor het generen van hogere harmonischen. Wanneer bij de nieuwe Led armaturen hogere harmonischen worden gemeten is dit voornamelijk te wijten aan de driver.

d) Ook dimmers kunnen hogere harmonischen veroorzaken. Wanneer de lichtbron wordt gedimd neemt het percentage hogere harmonischen t.o.v. de 50 Hz grondgolf toe. De absolute stroom waarden van de afzonderlijke harmonischen worden lager.

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

Klik hier voor het artikel over arbeidsfactor en cosinus φ

Aandachtspunten

De THD is een belangrijke parameter in de specificatie van een armatuur. Om meer inzicht te krijgen in de opbouw van deze harmonischen is het verstandig niet alleen op de THD specificatie van de leverancier af te gaan. Bij lage vermogens en indien de locatie een verhoogt risico heeft op net vervuiling, is het te adviseren de THD op de locatie te bepalen.

Ing. Dick van Riel; EMB Consultancy (www.emb-consultancy.nl)