De vigtigste kilder til harmoniske strømme er udstyr med effektelektronik: frekvensomformere, UPS-anlæg, IT-udstyr, LED-belysning, ladestandere til elbiler og solcelleinvertere. Fælles for dem er, at de ensretter eller omformer vekselspændingen og derfor trækker strøm i pulser i stedet for i en jævn sinuskurve. Trefasede kilder giver især 5. og 7. harmoniske, mens enfasede kilder giver 3. harmoniske, som belaster nullederen.
For bare 20 til 30 år siden bestod de fleste belastninger af motorer, glødepærer og varmelegemer. De trækker strøm i takt med spændingen og giver næsten ingen harmoniske. I dag er billedet vendt. Næsten alt nyt udstyr har effektelektronik, fordi det sparer energi og giver bedre styring.
Det er en god udvikling, men den har en bagside. Hver ny ladestander, hvert LED-armatur og hver solcelleinverter bidrager med harmoniske. Hver for sig er bidraget lille. Tilsammen kan det overbelaste transformere, nulledere og kondensatorbatterier.
I denne artikel får du overblik over de vigtigste kilder til harmoniske, hvordan de adskiller sig, og hvad du skal være opmærksom på, når du installerer dem. Vil du vide mere om, hvad harmoniske er, så læs vores guide til harmoniske strømme.
Hvad gør udstyr til en kilde til harmoniske?
Udstyr bliver en kilde til harmoniske, når det er ikke-lineært. Det betyder, at strømmen ikke følger spændingens sinuskurve. Den mest almindelige årsag er en ensretter med en kondensator, som kun trækker strøm i korte pulser omkring spændingens top.
Hvilke harmoniske udstyret giver, afhænger især af to ting:
- Om det er enfaset eller trefaset. Enfasede ensrettere giver især 3. harmoniske og andre ulige ordener. Trefasede ensrettere med 6 pulser giver især 5., 7., 11. og 13. harmoniske, som beskrevet i et bachelorprojekt fra Chalmers.
- Om indgangen er passiv eller aktiv. Udstyr med en aktiv indgang (aktiv PFC eller aktiv ensretter) trækker en næsten sinusformet strøm og giver langt færre harmoniske.
Overblik over de vigtigste kilder
| Kilde | Typiske harmoniske | En- eller trefaset | Hvor du typisk finder den |
|---|---|---|---|
| Frekvensomformere | 5., 7., 11., 13. | Mest trefaset | Pumper, ventilation, kompressorer, produktion |
| UPS-anlæg | 5. og 7. eller lave niveauer, afhængigt af typen | Trefaset og enfaset | Datacentre, hospitaler, kontrolrum |
| IT-udstyr og servere | 3., 5., 7. | Enfaset | Kontorer, serverrum, datacentre |
| LED-belysning | 3. og andre ulige | Enfaset | Kontorer, butikker, lagre, udendørs |
| Ladestandere til elbiler | Afhænger af laderen og bilen | En- og trefaset | Parkeringsanlæg, depoter, firmaparkering |
| Solcelleinvertere | Lave niveauer ved fuld effekt, relativt højere ved lav effekt | En- og trefaset | Tage, solcelleparker |
| Svejseudstyr, induktionsovne | Mange ordener, ofte svingende | Trefaset | Industri og værksteder |
Harmoniske fra frekvensomformere
Frekvensomformere er den største enkeltkilde til harmoniske i industrien. En almindelig omformer har en 6-puls ensretter på indgangen og giver især 5. og 7. harmoniske. Problemerne opstår typisk, når mange omformere sidder på samme transformer, eller når forsyningen er svag, fx ved drift på generator.
Løsningen er typisk et harmonisk filter, en netdrossel eller ved nyanlæg en omformer med lav harmonisk emission. Læs mere om harmoniske fra frekvensomformere. Se vores harmoniske filtre.
Harmoniske fra UPS-anlæg
Et UPS-anlæg sikrer strømmen til kritisk udstyr, men det kan også være en betydelig kilde til harmoniske. Hvor mange harmoniske en UPS giver, afhænger især af dens indgang. Ældre UPS-anlæg med en tyristor- eller diodeensretter giver mange harmoniske. Nyere anlæg med en aktiv IGBT-ensretter giver langt færre.
Der er tre ting, du skal være opmærksom på ved UPS-anlæg:
- Indgangens type. Spørg leverandøren, hvilken ensretter UPS'en har, og hvor høj THDi den har ved forskellige belastninger.
- Belastningen bag UPS'en. IT-udstyret bag en UPS giver selv harmoniske. Ved en UPS med dobbelt konvertering når de ikke nettet, men ved by-pass gør de.
- Drift på generator. En generator er et svagere net end transformeren. De samme harmoniske giver derfor større forvrængning af spændingen, og det kan give ustabil drift.
Skal du installere eller udskifte et UPS-anlæg, er det en god idé at måle elkvaliteten før og efter installationen. Så kan du dokumentere, at det nye anlæg ikke skaber problemer. En elkvalitetsanalyse giver dig dataene.
Harmoniske fra LED-belysning
LED-armaturer har en elektronisk driver, der omformer vekselspændingen til den jævnstrøm, lysdioderne skal bruge. Billige drivere trækker strøm i korte pulser og giver mange harmoniske, især 3. harmoniske. Bedre drivere har en aktiv indgang (aktiv PFC) og giver langt færre.
LED-belysning er sjældent et problem armatur for armatur. Udfordringen opstår, fordi der ofte er hundredvis af armaturer på samme forsyning, og fordi de alle er enfasede. Deres 3. harmoniske lægges sammen i nullederen, som kan blive overbelastet.
Når du skifter til LED, så:
- Vælg armaturer med lav THDi og høj effektfaktor, og bed om dokumentation fra leverandøren.
- Fordel belysningen jævnt på de tre faser.
- Tjek nullederens dimensionering, især i ældre installationer, hvor nullederen kan være mindre end faselederne.
- Mål strømmen i nullederen efter udskiftningen.
Læs mere om 3. harmoniske og nullederen.
Harmoniske fra ladestandere
Ved almindelig AC-opladning sidder laderen i selve bilen. Det er bilens indbyggede lader, der omformer vekselstrømmen til jævnstrøm, og dermed også den, der giver de harmoniske. Ved DC-hurtigladning sidder omformeren i ladestanderen. Hvor mange harmoniske der opstår, afhænger derfor af både ladestanderen og de biler, der lader.
Ladestandere giver især udfordringer, fordi:
- Effekten er høj, og mange biler lader på samme tid, fx i et depot om natten eller på en firmaparkering om morgenen.
- Belastningen svinger, efterhånden som bilerne kommer og kører, og batterierne bliver fulde.
- Laderne giver også supraharmoniske forstyrrelser mellem 2 og 150 kHz. Ifølge et forskningsprojekt fra Eindhoven University of Technology og ElaadNL forventes elbilopladning at få stor betydning på det område.
Læs mere om supraharmoniske forstyrrelser.
Planlægger du en ladepark, så få elkvaliteten vurderet tidligt. Netselskabet kan stille krav ved tilslutning af større anlæg. Læs mere om elkvalitet ved nettilslutning.
Harmoniske fra solcelleanlæg
Solcelleinvertere omformer jævnstrøm fra panelerne til vekselstrøm. Moderne invertere har normalt lav THDi ved fuld effekt. Ved lav produktion, fx morgen, aften og i overskyet vejr, kan THDi i procent blive højere, fordi den nyttige strøm er lille.
Solcelleanlæg kan give problemer med harmoniske på flere måder:
- Mange invertere på samme forsyning, fx på et stort erhvervstag, hvor bidragene lægges sammen.
- Samspil med nettet og kondensatorbatterier, som kan give resonans ved bestemte frekvenser.
- Supraharmoniske forstyrrelser fra inverternes høje switchfrekvens.
- Ændret belastning af transformeren, når anlægget producerer mere, end bygningen bruger.
Læs mere om resonans i kondensatorbatterier.
Skal du tilslutte et større solcelleanlæg, kan netselskabet stille krav til elkvaliteten. Læs om elkvalitet ved nettilslutning.
Harmoniske fra IT-udstyr og servere
Pc'er, skærme, servere og netværksudstyr har switch-mode strømforsyninger, der giver harmoniske, især 3. harmoniske. Nyere udstyr har ofte aktiv PFC og giver færre harmoniske end ældre, men i et datacenter eller en stor kontorbygning er mængden af udstyr så stor, at bidraget stadig kan blive betydeligt.
De typiske følger er overbelastede nulledere, varme transformere og en høj THDu i bygningens forsyning. Ifølge en guide fra Leonardo Power Quality Initiative kan strømmen i nullederen ved belastninger som computere typisk blive op til ca. 170 % af fasestrømmen. Læs mere om harmoniske i transformere.
Andre kilder til harmoniske
Ud over de store grupper ovenfor findes der en række andre kilder, især i industrien:
- Svejseudstyr, der giver mange forskellige harmoniske, som svinger hurtigt.
- Induktionsovne og induktionsvarme.
- Lysbueovne i metalindustrien.
- Elevatorer og rulletrapper med frekvensomformere.
- Varmepumper og køleanlæg med invertere.
- Batterianlæg, der både lader og aflader via en omformer.
Når kilderne lægges sammen
De harmoniske fra forskellige kilder lægges ikke altid bare sammen. Nogle gange ophæver de delvist hinanden, fordi de ligger forskudt i tid. Andre gange forstærker de hinanden. Det afhænger af, hvilke ordener der er tale om, og hvordan udstyret er koblet.
Som tommelfingerregel:
- 3. harmoniske fra enfasede belastninger lægges sammen i nullederen og forstærker hinanden.
- 5. og 7. harmoniske fra ens frekvensomformere lægges typisk sammen, fordi de er i fase.
- Blandede kilder kan delvist ophæve hinanden, men det er svært at forudsige uden en måling.
- En svag forsyning, fx en lille transformer eller en generator, forstærker effekten af alle kilderne.
Derfor er det vigtigt at måle, når du tilføjer nye kilder til en eksisterende installation, i stedet for at regne med, at det nok går.
Sådan finder du kilderne til harmoniske i din installation
Du finder kilderne ved at måle de harmoniske både ved hovedforsyningen og ved de største belastninger. Ved at sammenligne målingerne kan du se, hvilke anlæg der bidrager mest, og hvornår.
En god måling omfatter:
- Hovedforsyningen, så du ser det samlede billede.
- Undertavler med mange elektroniske belastninger.
- De største enkeltkilder, fx frekvensomformere, UPS-anlæg og ladestandere.
- Nullederen i tavler med mange enfasede belastninger.
- Hele driftsperioden, typisk mindst en uge, så du ser, hvornår de forskellige kilder er aktive.
Læs mere om måling af harmoniske. En elkvalitetsanalyse viser dig kilderne, og en fast elkvalitetsmåler kan følge udviklingen, når der kommer nyt udstyr til.
Få hjælp til at finde og fjerne kilderne
Hos Eluminate måler vi de harmoniske i din installation, finder de største kilder og anbefaler den løsning, der passer: et aktivt, passivt eller hybridt filter, et supraharmonisk filter eller ændringer i installationen. Vi dokumenterer effekten med en måling bagefter.
Se vores harmoniske filtre eller book en elkvalitetsanalyse.
Ofte stillede spørgsmål om kilder til harmoniske
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