Frekvensomformere giver harmoniske strømme, fordi de ensretter nettets vekselspænding og kun trækker strøm i korte pulser. En almindelig omformer med 6-puls ensretter giver især 5. og 7. harmoniske, efterfulgt af 11. og 13. Du reducerer dem med en netdrossel, et harmonisk filter eller en frekvensomformer med lav harmonisk emission.
Frekvensomformere er en af de bedste investeringer i energieffektivitet. De sparer energi på pumper, ventilatorer og kompressorer og giver bedre styring af processen. Men de har en bagside: de er i dag den største enkeltkilde til harmoniske strømme i industrien.
Én omformer giver sjældent problemer. Udfordringen opstår, når der kommer flere til. Pludselig bliver transformeren varm, kondensatorbatteriet står af, eller netselskabet stiller krav ved en udvidelse.
I denne artikel får du forklaret, hvorfor frekvensomformere giver harmoniske, hvilke forstyrrelser du skal være opmærksom på, og hvilke løsninger der virker. Vil du vide mere om harmoniske generelt, så læs vores guide til harmoniske strømme.
Hvorfor giver frekvensomformere harmoniske strømme?
En frekvensomformer omdanner nettets 50 Hz til en spænding med variabel frekvens, så motorens hastighed kan styres. På indgangen sidder en ensretter, der lader en kondensator op. Ensretteren trækker kun strøm, når nettets spænding er højere end spændingen i kondensatoren, altså i korte pulser omkring spændingens top. Den pulserende strøm består af 50 Hz plus en række harmoniske.
En frekvensomformer består af tre dele:
- Ensretter på indgangen, der laver vekselspænding om til jævnspænding.
- DC-mellemkreds med en kondensator, der udglatter jævnspændingen.
- Vekselretter på udgangen, der laver en ny vekselspænding med den frekvens, motoren skal køre med.
Det er ensretteren på indgangen, der giver de harmoniske strømme i nettet. Vekselretteren på udgangen giver andre forstyrrelser, som vi vender tilbage til længere nede.
Hvilke harmoniske giver en frekvensomformer?
Hvilke harmoniske der opstår, afhænger af, hvor mange pulser ensretteren har. De dominerende ordener følger reglen h = p × k ± 1, hvor p er antallet af pulser. Det er beskrevet i blandt andet et bachelorprojekt fra Chalmers.
| Ensretter | Dominerende harmoniske | Typisk anvendelse |
|---|---|---|
| 6-puls | 5., 7., 11., 13., 17., 19. | Langt de fleste frekvensomformere |
| 12-puls | 11., 13., 23., 25. | Store omformere med særlig transformer |
| 18-puls | 17., 19., 35., 37. | Meget store omformere |
| Aktiv indgang (AFE) | Meget lave harmoniske | Omformere med høje krav til elkvalitet |
Langt de fleste frekvensomformere på markedet har en 6-puls ensretter. Derfor er 5. og 7. harmoniske de vigtigste at holde øje med, når du har mange omformere.
Hvornår bliver harmoniske fra frekvensomformere et problem?
Harmoniske fra frekvensomformere bliver et problem, når omformerne udgør en stor del af den samlede belastning på en transformer. De harmoniske strømme lægges sammen og skaber forvrængning af spændingen (THDu), som rammer alt udstyr på samme forsyning.
Typiske situationer, hvor problemerne opstår:
- Mange omformere på samme transformer, fx i et vandværk, et renseanlæg eller en ventilationscentral.
- Svag forsyning, fx en lille transformer eller lange kabler. Jo svagere nettet er, desto mere forvrænges spændingen.
- Kondensatorbatterier på samme forsyning. Kondensatorerne kan danne resonans med nettet og forstærke de harmoniske kraftigt.
- Drift på nødstrøm eller generator. En generator er et langt svagere net end transformeren, så THDu stiger markant.
- Udvidelser, hvor netselskabet stiller krav til, hvor mange harmoniske installationen må sende ud.
Tegnene er de samme som ved andre harmoniske: varme transformere og kabler, kondensatorbatterier, der står af, og fejl i følsomt udstyr. Læs mere om harmoniske i transformere og resonans i kondensatorbatterier.
Frekvensomformer og forstyrrelser: harmoniske eller EMC-støj?
Frekvensomformere giver to slags forstyrrelser, og de kræver forskellige løsninger. Harmoniske strømme ligger op til ca. 2 kHz og kommer fra ensretteren på indgangen. EMC-støj ligger ved langt højere frekvenser og kommer fra de hurtige skift i vekselretteren på udgangen.
| Harmoniske strømme | EMC-støj (højfrekvent) | |
|---|---|---|
| Kommer fra | Ensretteren på indgangen | Vekselretteren og motorkablet |
| Frekvens | 250 Hz til ca. 2 kHz | Fra kHz og op i MHz-området |
| Typiske tegn | Varme transformere, defekte kondensatorbatterier, høj THDu | Fejludkoblinger af HFI-relæer, fejl i sensorer og kommunikation |
| Løsning | Netdrossel, harmonisk filter, omformer med lav emission | EMC-filter, korrekt skærmning og jording |
Mange søger på "filter til frekvensomformer" uden at vide, hvilken type forstyrrelse de har. Derfor er det vigtigt at måle, før du vælger løsning. Et EMC-filter fjerner ikke harmoniske, og et harmonisk filter fjerner ikke EMC-støj. Læs mere om elektrisk støj og EMC-støj.
Netdrossel eller harmonisk filter?
En netdrossel er en spole, der sættes foran frekvensomformeren eller i dens DC-mellemkreds. Den udglatter strømpulserne og reducerer de harmoniske, men den fjerner dem ikke. Et harmonisk filter fjerner langt flere af de harmoniske og kan bringe THDi ned på et niveau, der overholder krav fra netselskabet og standarder.
| Netdrossel / DC-drossel | Harmonisk filter | |
|---|---|---|
| Virkning | Reducerer de harmoniske | Fjerner størstedelen af de harmoniske |
| Pris | Lav | Højere |
| Placering | Ved hver omformer, ofte indbygget | Ved den enkelte omformer eller centralt i tavlen |
| Bedst til | Få omformere og ingen krav udefra | Mange omformere, krav fra netselskabet eller problemer, der allerede er opstået |
Mange frekvensomformere har allerede en indbygget drossel. Har du stadig problemer med harmoniske, er en ekstra drossel sjældent nok. Så er et harmonisk filter det næste skridt.
Hvilket filter skal du vælge til frekvensomformere?
Til frekvensomformere bruges både passive og aktive harmoniske filtre. Et passivt filter passer til én stor omformer med stabil drift. Et aktivt filter passer til flere omformere, der starter og stopper, eller hvor belastningen svinger.
Passivt filter
Et passivt filter sættes foran den enkelte omformer og er afstemt til de harmoniske, en 6-puls ensretter giver. Det er en robust og prisvenlig løsning, når du kender belastningen. Vores passive filtre er udviklet til faste belastninger som frekvensomformere og reducerer THDi til under 5 til 8 %, uden at omformeren skal nedjusteres i effekt.
Aktivt filter
Et aktivt filter sidder centralt i tavlen og filtrerer de harmoniske fra alle de omformere, der er tilsluttet. Det tilpasser sig automatisk, når omformerne starter, stopper eller ændrer hastighed. Det kan også kompensere reaktiv effekt og ubalance.
Hybridfilter
Ved store anlæg med mange omformere kan et hybridfilter give den bedste balance mellem pris og fleksibilitet. Læs mere om forskellen på aktivt og passivt filter.
Se vores harmoniske filtre til frekvensomformere.
Filtre på motorsiden
På udgangen af frekvensomformeren, mellem omformer og motor, bruges andre typer filtre. Du/dt-filtre og sinusfiltre dæmper de stejle spændingsflanker, der kan belaste motorens isolation og give lejestrømme. De har ikke noget at gøre med harmoniske strømme i nettet. Rådfør dig med producenten af frekvensomformeren, hvis du har brug for filtre på motorsiden.
Frekvensomformere med lav harmonisk emission
Ved nyanlæg kan du vælge frekvensomformere, der giver færre harmoniske fra starten. Det kræver typisk en højere investering i selve omformeren, men kan spare et filter.
- 12-puls og 18-puls omformere har to eller tre ensrettere, der forsynes fra en særlig transformer. De laveste harmoniske ophæver hinanden.
- Omformere med aktiv indgang (AFE) har en aktiv ensretter, der trækker en næsten sinusformet strøm. De kan også føre energi tilbage til nettet.
- Omformere med indbygget filter findes også fra flere producenter.
Har du allerede et anlæg med almindelige 6-puls omformere, er det næsten altid billigere at eftermontere et harmonisk filter end at udskifte omformerne.
Sådan finder du den rigtige løsning
Start med en måling. Den viser, hvor store de harmoniske er, hvilke omformere der bidrager mest, og hvordan belastningen svinger over døgnet. Uden den risikerer du at købe en løsning, der er for lille eller af den forkerte type.
En god måling af et anlæg med frekvensomformere omfatter:
- THDi og THDu ved hovedforsyningen og ved de største omformere.
- De enkelte harmoniske ordener, især 5., 7., 11. og 13.
- Belastningsprofilen, så du kan se, hvornår omformerne kører.
- Eksisterende kondensatorbatterier, som kan give resonans.
- Drift på generator, hvis anlægget har nødstrøm.
En elkvalitetsanalyse giver dig dataene. Har du et kondensatorbatteri, der står af, kan du også læse om fasekompensering. Læs mere om måling af harmoniske.
Få hjælp til harmoniske fra frekvensomformere
Hos Eluminate måler vi de harmoniske fra dine frekvensomformere, finder de største kilder og dimensionerer det filter, der passer til anlægget. Vi leverer aktive, passive og hybride filtre og følger op med en ny måling, så du kan se effekten.
Se vores harmoniske filtre eller book en elkvalitetsanalyse.
Ofte stillede spørgsmål om harmoniske fra frekvensomformere
Skrevet af
Anders Dahl Johnsen
Partner, CCO & Lead Consultant
Anders har mange års erfaring med elkvalitet, harmoniske filtre og måling i industri og energi, og hjælper virksomheder med at finde og løse problemer i elnettet.
anddj@eluminate.dk