Harmonisk måling

Af Kim Tonsberg Kristensen
Servicetekniker, STYREG

Indledning


Oplever du at din transformatorstation og forsyningskabler bliver unormal varme? Tripper maksimalafbrydere uden det har været muligt at finde en fejl? Har du elektroniske komponenter der ofte fejler og må udskiftes? Eller har du en produktionslinje der laver uforklarlige fejl?

Så kan årsagen være dårlig spændingskvalitet.

Rigtig mange elektriske komponenter benytter sig af switch-modeforsyninger og ensretter. I en 6-puls frekvensomformer laves forsyningsspændingen om fra AC-spænding til en DC-spænding ved brug af 6 ensrettere.

Figur 1: 3-faset ensretter med 6 dioder
Figur 2: Strømkurve på forsyningsfase
Strømtrækket igennem disse ensrettere er ikke sinusformet men vil have to ”pukler” når ensretteren åbner for energien elektronerne.

Denne strømkurve som frekvensomformeren trækker betyder nu, at ud over den fundamentale strøm som får motoren til at rotere, vil der nu også være nogle underliggende strømme.

For en 6-puls frekvensomformer vil de harmoniske strømme være ved den 6. plus minus én. Altså den 5. og 7. harmoniske, som iøvrigt er de markant største harmoniske.

De næste vil være 2 gang 6 plus minus én, altså den 11. og 13. harmoniske og sådan forsætter det opad.

Denne forvrængede strøm benævnes THiD (Total Harmonic strøm Distortion) og løber fra frekvensomformeren og tilbage ud mod transformatoren. For en Danfoss frekvensomformer med DC spoler vil THiD normal være omkring 40%. Udfordringen kommer nu ved at strømmen er en dynamisk værdi der ændrer sig i forhold til forbruget.

Figur 3: THiD vil være forskellig fra undertavler afhængig af lasttypen
Problemet med spændings kvaliteten opstår dog hvis vores transformer ikke er stor nok eller vores net ikke er særlig ”stærk”. F.eks. så er der forskel på konsekvenserne ved høj THiD om man er forsynet af det europæiske net eller man er forsynet af en lille generator på et skib.

Men den store problematik opstår når spændingskurven begynder at blev forvrænget – det benævnes THvD (Total Harmonic spændings Distortion). For begynder denne at blive påvirket af strømmen så spreder den dårlige spændingskvalitet sig ud i hele installationen.

Tommelfingerregel:

Er transformeren mere en 60% belastet og har den hovedsageligt frekvensomformerlast, er der stor risiko for problemer med spændingskvaliteten.

Figur 4: Eksempel på THvD og THiD i forsyning.

Konsekvenser i produktionen


Vi ser problemerne opstå på to forskellige måder:

  1. I en ny installation hvor belastningsformen ikke har været vurderet og frekvensomformere er de største forbrugere på transformeren. Det forekommer heldigvis sjældent, idet de fleste firmaer som designer installationen forstår harmoniske forstyrrelser og tager højde herfor. Det er dog muligt at simulere en installation og herudfra anbefale et korrekt transformervalg
  2. Ofte støder vi på installationer der løbende er blevet udvidet med flere og flere frekvensomformere. Her vil den harmoniske forvrængning stige over tid og pludselig nå et niveau hvor kunden begynder at opleve fejl.

Uventede stop er ubehagelige og kan være dyre. De er dog nemmere at fejlfinde, hvis det skyldes brækkede mekaniske komponenter eller tilstoppede filtre. Men når fejlkilden er usynlig, medfører det rådvildhed.
Fx kan maksimalafbrydere trippe utilsigtet. De er indstillet til nominel strømstyrke, men kan varmes ret kraftigt op som følge af harmoniske strømme.

Faktaboks: Krav til forsyningen

Spændingskvaliteten i Danmark skal leve op til forskellige standarder afhængig af forsyningsleverandøren. Den mest normale anvendte er EN 50160 og det er forklaret i dokumentet ’Rekommandation 16: Spændingskvalitet i lavspændingsnet’ som er udgivet af Dansk Energi. Afsnit 4.7 stipulerer, at ”THD målt som et 10-minutters gennemsnit skal være mindre end eller lig 8 %

I en fødevareproduktion kan en uventet driftstop betyde tidstab, skrot af batch pga. fejlproduktion, ekstra rengøring, intern rapportering, overarbejde, samtaler med teknikere og leverandører. Hvis ikke fejlen blev entydigt lokaliseret resterer der en usikkerhed og ledelsen vil sikkert spørge om det kan ske igen?

Hvad kan man gøre?


Med avanceret måleudstyr kan tilstedeværelsen og niveauet af harmoniske strømme bestemmes inden vi arbejder på at reducere dem.

Det første trin er at lokalisere problematikkens omfang. Vi kortlægger om de harmoniske strømme er lokaliseret til kun én transformer eller om det slipper igennem transformeren og forplanter sig på 10kV nettet?

Da et almindeligt måleapparat stadig vil vise en normal spændingsforsyning er det nødvendigt at måle de harmoniske forvrængninger og observere sinuskurven. Styreg anvender Fluke 438 ”Effektkvalitets- og Motoranalysator” samt Fluke MDA-550 ”Motor Drev Analysator” til analyse af spændingskvaliteten.

Figur 5: Fluke MDA550
Figur 6: Måleopgave på forsyningstavle
Figur 7: Harmonisk forvrængning (23 %)

Trin to er så at finde den optimale løsning på installationen. Løsningen kan være en af nedenstående eksempler:

  1. Montere et passiv filter foran én frekvensomformer (metode 1)
  2. Indbygge et aktivt filter inden i én frekvensomformer (Low Harmonic Drive, metode 2)
  3. Opstille et aktivt filter foran alle installationens frekvensomformere (metode 3)
  4. Udskifte transformeren til en større model som kan klare den harmoniske strøm
  5. Anvende 12-puls frekvensomformer med special transformer
  6. Anvende Aktiv Front End frekvensomformer (AFE)

Metode 1:

Figur 8: Løsnings metode 1 Passivt filter foran den enkelte frekvensomformer. [THiD <5-10%]

Metode 2:

Figur 9: Løsning metode 2: Aktiv filter integreret i frekvensomformer. (LHD). [THiD <3%]

Metode 3:

Figur 10: Løsning metode 3. Aktivt filter som kompenser for alle forbrugere. [THiD <3%]

Styreg har stor erfaring med måde Danfoss AAF006 og Comsys aktive filtre, som vi begge er service partner på.

Dette er de normal anvendte metoder på nuværende tidspunkt. Men der er flere dog dyrere metoder. Men for større frekvensomformere er en mulighed for at sænke de harmoniske strømme at anvende en 12 pulse frekvensomformer eller et AFE frekvensomformer (Aktivt Front End). For en AFE frekvensomformer er det muligt at tilbageføre energi ved bremsning fra applikationer med høj inerti (ventilatorer, centrifuger eller kraner)

Case: En fabrik oplevede, at en luftkompressor ofte faldt ud med melding om forsyningsfejl og elektrikeren konstaterede, at spændingsniveauet egentlig var i orden. Efterfølgende målte STYREG med specialudstyr den harmoniske spændingsforvrængning (THvD) til 10-12 %. Et aktivt filter blev installeret på forsyningsledningen som reducerede THvD fra ovenstående til ca. 5% og kompressoren har kørt siden uden uforklarlige stop.