Harmonischen in de elektrotechniek

Harmonischen worden veroorzaakt door niet-lineaire belastingen in het elektriciteitsnet. Deze belastingen trekken niet evenredig stroom met de aangelegde spanning, wat leidt tot vervormingen in de stroom- en spanningsgolfvormen.

• Niet-lineaire belastingen: Apparaten zoals frequentieomvormers, schakelende voedingen, led-drivers of elektrische lasapparaten hebben niet-lineaire eigenschappen. Ze verbruiken stroom in pulsen of alleen tijdens bepaalde fasen van de netspanning.
   
• Vervormingsstromen: Deze niet-lineaire stromen veroorzaken vervorming in de netstroom. De resulterende stroomgolfvorm bevat naast de grondfrequentie (50 Hz of 60 Hz) ook extra frequentiecomponenten.
   
• Fourieranalyse: Wiskundig gezien kan elke vervormde stroom- of spanningsgolfvorm worden weergegeven als de som van sinusvormige oscillaties met verschillende frequenties. Deze extra frequentiecomponenten zijn de harmonischen, waarvan de frequenties gehele veelvouden zijn van de grondfrequentie (bijv. voor een grondfrequentie van 50 Hz: 150 Hz voor de 3e harmonische, 250 Hz voor de 5e harmonische, enz.).
   
• Terugkoppeling op het net: De gegenereerde harmonischen worden teruggevoerd naar het elektriciteitsnet en hebben een negatieve invloed op andere verbruikers of apparaten.

Vooral netwerken met een hoog aandeel vermogenselektronica worden hierdoor getroffen, omdat moderne elektronische apparaten vaak niet-sinusvormige stromen verbruiken. Dit verhoogt de vervorming en kan leiden tot toenemende spanningen op het netwerk.

Effecten van harmonischen veroorzaken een aantal problemen in elektrische netwerken en apparatuur. De belangrijkste zijn:

Verhoogde verwarming verkort de levensduur van elektrische apparaten

Overbelasting van het elektriciteitsnet en resonantie-effecten

• Harmonischen kunnen resoneren met de netimpedantie, waardoor gevaarlijke spanningsvervormingen en overstromen ontstaan.
• Hierdoor neemt het risico op schade aan het apparaat of netwerkinstabiliteit toe.

Storingen van elektronische apparaten

• Harmonischen kunnen storingen in regelsystemen, beveiligingsrelais en gevoelige meetinstrumenten veroorzaken of ten onrechte activeren.
• Er kunnen gegevensverlies of communicatiefouten optreden in IT-systemen.

Verslechtering van de spanningskwaliteit

• Door harmonischen veroorzaakte vervormingen in de netspanning kunnen een negatief effect hebben op andere verbruikers in het netwerk.
• Een hoge mate van vervorming (THD – Total Harmonic Distortion) leidt tot een slechte stroomkwaliteit.

Verminderde energie-efficiëntie

• Het extra reactieve vermogen en de hogere verliezen door harmonischen leiden tot een inefficiënt energieverbruik (lagere vermogensfactor).
• Bij grote systemen kan dit tot aanzienlijke extra kosten leiden.

Om deze problemen te voorkomen, zijn harmonische filters, actieve compensatiesystemen en geoptimaliseerde netwerkstructuren nodig.

Harmonischen veroorzaken een speciale vorm van reactief vermogen, namelijk vervormingsreactief vermogen (Qd).

• In een ideaal netwerk met zuiver sinusvormige spanning en stroom is er alleen sprake van verschuivingsreactief vermogen (Q1), dat wordt veroorzaakt door de faseverschuiving tussen stroom en spanning.
• Harmonischen genereren extra vervormingsstromen die niet bijdragen aan het actieve vermogen, maar nog steeds een belasting vormen voor het net.
• Deze vervormingsstromen veroorzaken verliezen door wervelstromen en omkering van het magnetisme, waardoor transformatoren, kabels en motoren extra worden opgewarmd.

Omdat conventionele systemen voor reactief vermogencompensatie (bijv. condensatorbatterijen) meestal alleen zijn ontworpen voor verdringingsblindvermogen, kunnen ze de vervorming van het blindvermogen, veroorzaakt door harmonischen, niet compenseren. In plaats daarvan zijn actieve filters of speciale smoorspoelen nodig.

In het algemeen kunnen harmonischen door verschillende maatregelen worden verminderd. Vaak worden technische oplossingen daarvoor ingezet.

Voorbeelden van maatregelen om harmonischen te verminderen:

• Selectie van producten met geïntegreerde oplossingen
  Actieve vermogensfactorcorrectie (aPFC): Bijzonder geschikt voor wisselende belastingen.
   
• Externe harmonische filters
  Actieve harmonische filters (AH-filters) kunnen harmonische stromen detecteren en deze specifiek compenseren
  Passieve filters: Bijvoorbeeld netsmoorspoelen of condensatoren en spoelen compenseren harmonische frequenties
   
• Gebruik van krachtigere transformatoren
  Transformatoren met de hoogst mogelijke RSC-waarde (kortsluitverhouding)

Ideaal voor kritieke infrastructuren zoals ziekenhuizen, datacenters of industriële productiefaciliteiten: actieve harmonische filters van ZIEHL-ABEGG beschermen uw toepassing tegen netvervorming en vermogensverlies!

Harmonischen spelen een cruciale rol in airconditioning, met name in ventilatiesystemen in gebouwen, industriële installaties en kritieke infrastructuur. Ze beïnvloeden niet alleen de efficiëntie en levensduur van de systemen, maar ook de leveringsbetrouwbaarheid en operationele veiligheid.

Moderne ventilatiesystemen bestaan uit frequentieregelaars, vaak aangestuurd door geïntegreerde regelelektronica (EC-motoren) of externe frequentieomvormers (AC-motoren). Deze omvormers zijn typische generatoren van harmonischen omdat ze de netstroom niet-lineair belasten.

Vooral in kritieke infrastructuren zoals ziekenhuizen, datacenters, luchthavens of cleanrooms zijn stabiele ventilatiesystemen essentieel voor de operationele veiligheid en bescherming van de gezondheid.

• Efficiëntie: vermindering van energieverliezen en onnodig hogere bedrijfskosten.
• Levensduur: Bescherming van motoren, omvormers en besturingen tegen overbelasting.
• Operationele betrouwbaarheid: Kritieke infrastructuur mag niet in gevaar komen door netwerkverstoringen.
• Duurzaamheid: Een hoge netwerkkwaliteit is een voorwaarde voor energiezuinige gebouwen van de toekomst.