Harmoniske strømme er strømme med en frekvens, der er et multiplum af nettets 50 Hz, fx 150 Hz, 250 Hz og 350 Hz. De opstår, når udstyr som frekvensomformere, LED-belysning og IT-udstyr trækker strøm i korte pulser i stedet for i en jævn sinuskurve. Harmoniske strømme giver varme i kabler, nulleder og transformere og kan overbelaste kondensatorbatterier.
For 30 år siden var de fleste belastninger i en bygning "lineære": motorer, glødepærer og varmelegemer. De trækker strøm i samme rytme som spændingen. I dag er billedet et andet. Frekvensomformere, ladestandere, solcelleinvertere, servere og LED-armaturer fylder mere og mere, og de trækker alle strøm på en måde, der forvrænger kurveformen.
Resultatet er harmoniske strømme. De er usynlige, indtil noget går galt: en nulleder bliver varm, en transformer brummer mere end normalt, eller et kondensatorbatteri står af før tid.
I denne guide får du forklaret, hvad harmoniske strømme er, hvad THD betyder, og hvor de harmoniske kommer fra. Du får også overblik over konsekvenser, grænseværdier, måling og de løsninger, der virker i praksis.
Hvad er harmoniske strømme?
Harmoniske strømme er de dele af strømmen, der svinger med et helt multiplum af grundfrekvensen på 50 Hz. Lægges de sammen med 50 Hz-strømmen, får du den forvrængede kurveform, som ikke-lineært udstyr trækker fra nettet. Jo større de harmoniske er, desto længere er strømmen fra en ren sinuskurve.
Forskellen ligger i, hvordan udstyret trækker strøm:
- Lineære belastninger som motorer direkte på nettet og varmelegemer trækker en strøm, der følger spændingens sinuskurve.
- Ikke-lineære belastninger som frekvensomformere og switch-mode strømforsyninger ensretter spændingen og lader en kondensator op. De trækker kun strøm i korte pulser, når spændingen er tæt på sin top.
De korte pulser kan matematisk deles op i 50 Hz plus en række harmoniske. Hver harmonisk har et ordenstal, der fortæller, hvor mange gange højere frekvensen er end 50 Hz.
| Orden | Frekvens | Typiske kilder |
|---|---|---|
| 3. harmoniske | 150 Hz | Enfasede belastninger: IT-udstyr, LED-belysning, kontorudstyr |
| 5. harmoniske | 250 Hz | Trefasede frekvensomformere og UPS-anlæg (6-puls ensretter) |
| 7. harmoniske | 350 Hz | Samme som 5. harmoniske |
| 11. og 13. harmoniske | 550 og 650 Hz | Frekvensomformere og større ensrettere |
| 9., 15., 21. osv. | 450, 750, 1050 Hz | Enfasede belastninger (de såkaldte triplen-harmoniske) |
Harmoniske strømme opgøres normalt op til 40. eller 50. orden, altså 2 til 2,5 kHz. Forstyrrelser over det område kaldes supraharmoniske forstyrrelser og højfrekvent støj. De hører til et andet emne og kræver andre løsninger.
Hvad er THD?
THD står for total harmonic distortion, på dansk total harmonisk forvrængning. Det er forholdet mellem værdien af alle de harmoniske tilsammen og værdien af 50 Hz-grundsvingningen, angivet i procent. IEC's elektrotekniske ordbog beskriver den harmoniske faktor som forholdet mellem RMS-værdien af det harmoniske indhold og RMS-værdien af den samlede størrelse. I elkvalitet regnes THD normalt i forhold til grundsvingningen, som i formlen herunder.
THD beregnes sådan:
THD = √(I₂² + I₃² + I₄² + … + Iₙ²) / I₁ × 100 %
Her er I₁ strømmen ved 50 Hz, og I₂, I₃ osv. er de enkelte harmoniske strømme.
Regneeksempel: En frekvensomformer trækker 100 A ved 50 Hz, 30 A ved 5. harmoniske og 15 A ved 7. harmoniske. THD = √(30² + 15²) / 100 × 100 % = ca. 34 %.
THDi og THDu
Der findes to slags THD, og de må ikke blandes sammen:
| THDi | THDu | |
|---|---|---|
| Hvad måles | Forvrængning af strømmen | Forvrængning af spændingen |
| Hvad det siger | Hvor meget en belastning forvrænger | Hvor forurenet nettet er |
| Typisk niveau | Ofte højt ved ikke-lineært udstyr | Normalt lavere, fordi nettet er stivt |
| Hvem stiller krav | Netselskabet og standarder ved tilslutning | EN 50160 og netselskabet |
Harmoniske strømme (THDi) skaber harmoniske spændinger (THDu), når de løber gennem nettets impedans. Derfor stiger THDu, jo flere ikke-lineære belastninger der er, og jo svagere forsyningen er. Et højt THDu rammer alt udstyr på samme forsyning, også det udstyr, der ikke selv skaber harmoniske.
Hvor kommer harmoniske strømme fra?
Harmoniske strømme kommer fra udstyr med effektelektronik, som ensretter vekselspændingen. I erhverv og industri er de største kilder frekvensomformere, UPS-anlæg, IT-udstyr og LED-belysning. Ladestandere og solcelleanlæg er de nyeste kilder og vokser hurtigt i antal.
| Kilde | Typiske harmoniske | Hvor du finder dem |
|---|---|---|
| Frekvensomformere | 5., 7., 11. og 13. | Pumper, ventilation, kompressorer, transportbånd |
| UPS-anlæg | 5. og 7. (afhænger af typen) | Datacentre, hospitaler, kontrolrum |
| IT-udstyr og servere | 3. og andre ulige | Kontorer, serverrum, datacentre |
| LED-belysning | 3. og andre ulige | Kontorer, butikker, lagerhaller, udendørsbelysning |
| Ladestandere til elbiler | Afhænger af laderens design | Parkeringsanlæg, depoter, firmaparkering |
| Solcelleinvertere | Lave niveauer pr. enhed, men mange enheder | Tage, solcelleparker |
Harmoniske fra frekvensomformere
En almindelig frekvensomformer har en 6-puls diodeensretter på indgangen. Den giver især 5. og 7. harmoniske. Har du mange omformere på samme transformer, bliver de harmoniske strømme lagt sammen og kan give et højt THDu på hele forsyningen. Læs mere om harmoniske fra frekvensomformere.
Harmoniske fra UPS, IT og LED
Enfasede belastninger som servere, pc'er og LED-drivere giver især 3. harmoniske. I et trefaset system ophæver de 3. harmoniske ikke hinanden i nullederen. De lægges sammen, og det er derfor, nullederen kan blive overbelastet i bygninger med meget IT og LED. Se også vores overblik over kilder til harmoniske.
Harmoniske fra ladestandere og solcelleanlæg
En enkelt lader eller inverter giver sjældent problemer. Udfordringen opstår, når der er mange på samme forsyning, fx en parkeringskælder med 50 ladepunkter eller et erhvervstag med solceller. Planlægger du sådan et anlæg, kan en elkvalitetsanalyse før og efter installationen vise, hvordan det påvirker resten af installationen.
Hvilke problemer giver harmoniske strømme?
Harmoniske strømme giver først og fremmest varme. De øger tabene i kabler, nulleder og transformere, de kan overbelaste kondensatorbatterier, og de kan få følsomt udstyr til at fejle. Problemerne udvikler sig ofte langsomt og bliver først opdaget, når en komponent står af.
| Komponent | Hvad sker der | Tegn, du kan se |
|---|---|---|
| Nulleder | 3. harmoniske lægges sammen i nullederen | Varm nulleder, misfarvede klemmer, høj strøm i N |
| Transformer | Ekstra tab og varme, især ved høje ordener | Høj temperatur, mere brum, kortere levetid |
| Kondensatorbatterier | Resonans mellem kondensatorer og net forstærker de harmoniske | Sprungne sikringer, defekte kondensatorer |
| Kabler og skinner | Ekstra opvarmning ved højere frekvenser | Varme kabler ved normal belastning |
| Motorer | Ekstra tab og bremsende moment fra visse ordener | Højere temperatur, vibrationer |
| Elektronik og beskyttelse | Forvrænget spænding forstyrrer styringer og målinger | Fejludkoblinger, forkerte målinger |
Overbelastet nulleder
I et trefaset system med lige belastning ophæver 50 Hz-strømmene hinanden i nullederen. Det gælder ikke for 3. harmoniske og de andre triplen-harmoniske. De er i fase og lægges sammen. Iflølge en guide fra Leonardo Power Quality Initiative, skrevet af to universitetsprofessorer, kan nulstrømmen derfor blive op til ca. 170 % af fasestrømmen. Er nullederen dimensioneret til mindre end fasen, er det en reel brandrisiko. Læs mere om 3. harmoniske og nullederen.
Transformere
Harmoniske strømme øger tabene i transformerens viklinger og jernkerne. Tabene stiger med frekvensen, så selv små strømme ved høje ordener kan give mærkbar ekstra varme. En transformer, der er belastet tæt på mærkeeffekten, kan derfor blive overophedet, selv om målingen af strømmen ser normal ud. Læs mere om harmoniske i transformere.
Kondensatorbatterier og resonans
Kondensatorbatterier til fasekompensering danner sammen med transformeren et svingningskredsløb. Ligger resonansfrekvensen tæt på en af de harmoniske, kan strømme og spændinger blive forstærket kraftigt. Det er en af de mest almindelige årsager til, at kondensatorbatterier står af før tid. Løsningen er typisk et kondensatorbatteri med spærredrosler eller elektronisk fasekompensering. Læs mere om resonans i kondensatorbatterier.
Hvilke grænseværdier gælder for harmoniske?
I Europa er den vigtigste reference EN 50160, som beskriver spændingskvaliteten i det offentlige net. Her må THDu i lav- og mellemspændingsnettet højst være 8 %. Derudover kan netselskabet stille krav til, hvor mange harmoniske strømme din installation må sende ud i nettet, og udstyr skal overholde produktstandarder.
De regelsæt, du oftest møder, er:
| Regelsæt | Hvad det dækker | Hvad det betyder for dig |
|---|---|---|
| EN 50160 | Spændingskvaliteten i det offentlige net | THDu må højst være 8 %, målt over en uge (CEER) |
| IEC 61000-3-2 og 61000-3-12 | Emission fra det enkelte apparat | Producenten skal overholde dem før CE-mærkning |
| Netselskabets tilslutningskrav | Emission fra hele installationen i tilslutningspunktet | Kan kræve dokumentation og filtrering ved større anlæg |
| IEEE 519 | Strøm- og spændingsforvrængning i tilslutningspunktet | Bruges ofte i internationale projekter og specifikationer |
EN 50160 beskriver, hvad netselskabet leverer, ikke hvad din installation må sende ud. Selv om spændingen ved tilslutningspunktet overholder 8 %, kan forvrængningen inde i installationen være langt højere. Det er dernede, ved de enkelte tavler og maskiner, at problemerne opstår.
Skal du tilslutte et større anlæg som en ladepark, et solcelleanlæg eller en ny produktionslinje, så læs mere om elkvalitet ved nettilslutning. Få det fulde overblik i vores guide til grænseværdier for harmoniske.
Hvordan måler du harmoniske strømme?
Du måler harmoniske strømme med en elkvalitetsmåler, der logger THDi, THDu og de enkelte harmoniske over en hel driftsperiode, typisk mindst en uge. En tængeampereter med THD-funktion kan give et hurtigt fingerpeg, men den viser kun et øjebliksbillede. Harmoniske varierer med driften, så du skal se hele forløbet.
En god måling af harmoniske svarer på tre spørgsmål:
- Hvor store er de harmoniske? THDi og THDu i procent og de enkelte ordener i ampere.
- Hvor kommer de fra? Mål ved hovedforsyningen og ved de største belastninger. Så kan du se, hvilke anlæg der bidrager mest.
- Hvornår opstår de? Sammenhold målingerne med driften: produktion, natdrift, weekend og opstart af store maskiner.
Læs mere om måling af harmoniske.
Hvad skal du måle?
- THDi og THDu på alle tre faser
- Strømmen i nullederen, især i bygninger med meget IT og LED
- De enkelte harmoniske ordener op til mindst 40. orden
- Belastning og effektfaktor, så et filter kan dimensioneres korrekt
Målingen er også grundlaget for at vælge og dimensionere det rigtige filter. Uden data risikerer du at købe et filter, der er for lille, for stort eller af den forkerte type. Se vores elkvalitetsmålere, eller få en elkvalitetsanalyse, hvor vi måler og tolker data for dig. Vil du følge de harmoniske løbende, kan du læse om overvågning af elkvalitet.
Hvordan fjerner du harmoniske strømme?
Du fjerner harmoniske strømme med et harmonisk filter, der enten modvirker de harmoniske (aktivt filter) eller leder dem væk fra nettet (passivt filter). Hvilket filter der passer, afhænger af, hvor mange harmoniske der er, hvilke ordener det drejer sig om, og om belastningen svinger. Derfor starter en god løsning altid med en måling.
Aktive, passive og hybride filtre
| Aktivt filter | Passivt filter | Hybridfilter | |
|---|---|---|---|
| Sådan virker det | Måler de harmoniske og sender en modsat strøm ud, der ophæver dem | Afstemte drosler og kondensatorer leder bestemte harmoniske væk | Kombinerer et passivt filter med en aktiv del |
| Bedst til | Skiftende belastninger og mange forskellige ordener | Faste belastninger, fx en større frekvensomformer | Store anlæg, hvor et fuldt aktivt filter bliver dyrt |
| Fordele | Tilpasser sig automatisk og kan også fasekompensere | Robust og effektivt til en kendt belastning | God balance mellem pris og fleksibilitet |
| Ulemper | Højere pris pr. ampere | Virker kun på de ordener, det er afstemt til | Mere komplekst at dimensionere |
Læs mere om valget mellem aktivt og passivt filter.
Hos Eluminate leverer vi alle tre typer. Vælg ud fra målingen, ikke ud fra produktbladet. Se vores harmoniske filtre.
Andre tiltag mod harmoniske
Filtre er ikke den eneste løsning. Afhængigt af anlægget kan disse tiltag også hjælpe:
- Netdrossel eller DC-drossel i frekvensomformeren dæmper de harmoniske ved kilden. Det er billigt, men reducerer ikke så meget som et filter.
- Frekvensomformere med lav harmonisk emission (fx 12-puls eller aktiv indgang) ved nyanlæg.
- Korrekt dimensioneret nulleder i installationer med mange enfasede belastninger.
- Kondensatorbatterier med spærredrosler eller elektronisk fasekompensering, så du undgår resonans.
- Adskilte forsyninger til følsomt udstyr og store kilder til harmoniske.
Harmoniske strømme må ikke forveksles med højfrekvent elektrisk støj og EMC-støj. Et harmonisk filter fjerner ikke EMC-støj, og et EMC-filter fjerner ikke harmoniske. Ligger forstyrrelserne mellem 2 og 150 kHz, kan et supraharmonisk filter som SineTamer være løsningen.
Hvornår skal du have hjælp af en ekspert?
Du bør få målt de harmoniske, når du ser tegn på varme eller fejl, eller når du skal tilslutte nye store belastninger. Det er langt billigere at måle og dimensionere rigtigt fra start end at udskifte en brændt transformer eller et defekt kondensatorbatteri.
Kontakt en specialist i elkvalitet, hvis:
- Nullederen, tavler eller transformere bliver varmere end forventet.
- Kondensatorbatterier står af, eller sikringer i fasekompenseringen springer.
- Du har fået mange nye frekvensomformere, ladestandere eller solceller.
- Netselskabet kræver dokumentation for harmoniske ved tilslutning.
- Du skal specificere et nyt anlæg og vil sikre, at det overholder kravene fra start.
Hos Eluminate måler vi de harmoniske i din installation, finder kilderne og dimensionerer det filter, der passer til dit anlæg. 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 strømme
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