Harmonisch vervuiling
Hoe efficiënt aanpakken
Europese ondernemingen geven jaarlijks miljarden euro uit aan de
kwaliteitsverzorging van de elektrische energietoevoer. Het intensief toepassen
van vermogenelektronica brengt immers een niet verwaarloosbare vervuiling met
zich mee.
Men kan verschillende soorten soorten storin-gen onderscheiden, die de
netspanning kunnen begeleiden: overspanningen, te lage spanning, spanningsdalen,
spanningspieken, onderbrekingen, transiënten, impulsen, elektrische ruis,
harmonische vervuiling.
De laatste twee storingen zijn eerdrer continu van aard. Elektrische ruis heeft
een frequentie van 5 kHz en hoger. Deze ruis is gesuperponeerd op de basis
sinusgolf en stelt eigenlijk zo geen probleem.
Harmonischen
Anders dan de elektrische ruis is het gesteld met de harmonischen. Zij
bestrijken het gebied tussen de basisfrequentie en enkele kHz. Wanneer de
amplitude van een harmonische frequentie een significante waarde bereikt, dan
kan men zowel ogenblikkelijke schade, als effecten op lange termijn ondervinden.
Kabels en transformatoren verwarmen meer dan normaal, condensatoren worden
beschadigd, het elektrisch verbruik neemt toe, de goede werking van gevoelige
apparatuur komt in het gedrang en beveiligingsschakelaars kunnen foutief in
werking treden. Er kan bijvoorbeeld interferentie optreden bij de stuursignalen
die door de energiemaatschappijen op het net worden gezet.
Levensduur
Berekeningen hebben aangetoond dat door de aanwezigheid van harmonischen de
levensduur van éénfasige machines 32%, van driefasenmotoren 18% en van
transformatoren 5% wordt ingekort. De verhoogde slijtage is vooral het gevolg
van verhoogde temperatuur in de geleiders en de negatieve invloed in de
magnetische circuits.
Snelheidsgeregelde motoren zijn merkwaardig genoeg tegelijk oorzaak en
slachtoffer van spanningsharmonischen.
Oorzaken
Twee verschijnselen zijn belangrijke bronnen voor harmonische vervuiling :
elektrische bogen en de vermogenelektronica. Bij de eerste groep horen alle
hoge- en lage druk gasontladingslampen, lasinstallaties en vlamboogovens. Op
zich zelf beschouwd zijn vlamboogovens een sterke bron voor harmonischen, maar
ze komen niet zo frequent voor. Lichtarmaturen hebben door hun groot aantal het
zwaarste aandeel in de lagere kwaliteit van het net. Tot de tweede groep worden
de meeste elektronische toestellen gerekend. Denken we aan computers, faxen,
laserprinters, batterijladers, snelheidsgeregelde aandrijvingen, PLC’s, UPS,
inductieverwarming en elektronische ballasten. Het is duidelijk dat harmonische
vervuiling een tamelijk recent probleem is.
Explosie
In dit verband weze opgemerkt dat condensatoren, die op het net geplaatst
worden om de arbeidsfactor te verbeteren, door harmonische stromen zwaarder
worden belast. Niet alleen door de opwarming van het diëlectricum, maar vooral
door de grootte van de stromen. In extreme gevallen kan dit leiden tot explosie.
Traditionele oplossingen
Een eerste maatregel bestaat erin de leidingen en toestellen groter te
dimensioneren. Het is duidelijk dat dit een ernstige meerkost met zich
meebrengt.
Een tweede manier bestaat in het gebruik van een speciale transformator. Op die
wijze worden de stromen van rang 3 en hun veelvouden geëlimineerd. Nadeel is
dat de andere harmonischen (5, 7,…) gewoon doorlopen en dat de lijnimpedantie
verhoogd wordt. Dit laatste zorgt evoor dat de vervorming door de andere
harmonischen intenser is.
Een derde oplossing bestaat erin om vóór een niet-lineaire belasting een self
te plaatsen. Dit wordt bij snelheidsregelaars en omvormers gedaan, maar het
effect is beperkt.
Tenslotte bestaan er de berekende passieve filters. Deze bestaan uit trappen met
telkens een LC-circuit dat bij een bepaalde harmonische hoort. Vooral de 5de en
de 7de harmonische worden aangepakt. Maar de dimensionering hangt van het
harmonisch spectrum en de bronimpedantie af. Vandaar dat deze methode niet erg
flexibel is.
Actieve compensatie
Sinds enige tijd zijn er merkelijk betere producten op de markt gekomen.
Deze zijn gebaseerd op het principe van de actieve compensatie. Een actieve
filter past zich voortdurend aan de variaties van de harmonischen aan. Hij kan
zowel de harmonischen van een belasting – ook in de neutrale geleider – als
die van het net wegwerken. Ten opzichte van de passieve filter heeft hij
duidelijke voordelen : geen interactie tussen naburige filters, geen
voorafgaande berekeningen nodig, breed werkingsgebied, bestand tegen
overbelasting en een controlerende elektronica. Daartegenover staat, uiteraard,
een duurder prijskaartje.
Twee families
Een actieve filter kan ofwel parallel, ofwel in serie geplaatst worden. Een
parallelle filter heeft als voordeel dat niet alle elektrische energie
erdoorheen moet. De grootte van die filter hangt alleen af van de te leveren
stroom. Wanneer men de filter groot genoeg kiest, kan hij ook reactief vermogen
compenseren. De installatie van zo een filter is relatief eenvoudig.
Wanneer we de actieve filter in serie plaatsen, dan moet hij niet alleen de
nominale stroom, maar ook mogelijke kortsluitingen kunnen verwerken. Een zeer
snelle beveiliging is dus noodzakelijk.
Tenslotte bestaat er nog een variant : de combinatie tussen een actieve en
passieve filter, hybride filter genoemd. Hiermee kan men de verhouding
kost/prestatie optimaliseren. De passieve filter neemt het grote deel van het
compensatiewerk voor zijn rekening, terwijl de actieve filter al het overige
normaliseert. Hierbij kan de actieve filter zowel in serie als in parallel
opgesteld staan.
Besluit
Harmonische vervuiling is een relatief recent probleem. Het komt merkwaardig
genoeg voor, dat een netvervuiler tegelijk slachtoffer van harmonischen kan
zijn. Niet alleen de eigen installatie, maar ook de naburige verbruikers kunnen
schade lijden. Recente technologie is in staat om zowat alle onregelmatigheden
van het net op te vangen. Daartegenover staat een niet te verwaarlozen
investering. Naar de toekomst toe zal deze efficiënte afscherming hoe langer
hoe noodzakelijker blijken.
Herman Paternoster
Met dank aan Yves DE Raymaker, MGE.
Pollution harmonique
Une approche efficace
Les entreprises européennes consacrent chaque année des milliards d’euros
au traitement qualitatif de l’alimentation en énergie électrique.
L’application intensive d’électronique de puissance y provoque en effet une
pollution non négligeable.
On peut distinguer différentes sortes de perturbations qui peuvent être présentes
sur la tension de réseau: surtensions, tension trop basse, chutes de tension,
pointes de tension, interruptions, transitoires, impulsions, bruit de fond électrique,
pollution harmonique.
Les deux dernières perturbations sont plutôt de nature continue. Le bruit électrique
a une fréquence de 5 kHz et plus. Ce bruit est superposé à l’onde sinusoïdale
de base et ne constitue au fond pas un gros problème.
Harmoniques
Contrairement au bruit, les harmoniques, eux, posent problème. Ils couvrent
le domaine de fréquence compris entre la fréquence de base et quelques kHz.
Lorsque l’amplitude d’une fréquence harmonique atteint une valeur
significative, elle peut entraîner tant des dégâts immédiats que des effets
à long terme. Les câbles et transformateurs s’échauffent plus que de
coutume, les condensateurs sont endommagés, la consommation électrique
s’accroît, le bon fonctionnement des appareils sensibles devient incertain et
les disjoncteurs de protection peuvent se mettre à fonctionner de manière
indue. Des interférences avec les signaux de commande émis sur le réseau par
les compagnies d’électricité peuvent, par exemple, se produire.
Durée de vie
Des calculs ont montré que, du fait de la présence d’harmoniques, la durée
de vie des machines monophasées est réduite de 32%, celle des moteurs triphasés
de 18% et celle des transformateurs de 5%. L’usure accrue est surtout la conséquence
de températures plus hautes au sein des conducteurs et de l’influence négative
sur les circuits magnétiques.
Il est piquant de constater que les moteurs à réglage de vitesse sont à la
fois cause et victime des harmoniques de tension.
Causes
Deux phénomènes constituent d’importantes sources de pollution
harmonique : les arcs électriques et l’électronique de puissance.
Le premier groupe comprend toutes les lampes à décharge gazeuse à basse et
haute pression, les installations de soudure et les fours à arc électrique.
Ces derniers constituent en soi une puissante source d’harmoniques, bien
qu’ils n’apparaissent que de façon peu fréquente. De par leur nombre, les
armatures lumineuses contribuent le plus à la dégradation de la qualité du réseau.
La plupart des appareils électroniques appartiennent au deuxième groupe. Nous
pensons aux ordinateurs, télécopieurs, imprimantes à laser, chargeurs de
batterie, entraînements à régulation de vitesse, PLC, UPS, chauffages à
induction et ballasts électroniques. Il est clair que la pollution harmonique
est un problème assez récent.
Explosion
Dans ce cadre, il est à remarquer que les condensateurs qui sont placés
sur le réseau en vue d’améliorer son facteur de puissance sont plus
lourdement chargés par les courants harmoniques. Et ce, non seulement par suite
du réchauffement de leur diélectrique, mais aussi du fait de la valeur des
intensités de courant qui les traversent. Dans des cas extrêmes, ceci peut
provoquer leur explosion.
Solutions traditionnelles
Une première mesure consiste à dimensionner les câbles et appareils de façon
plus généreuse. Il est cependant évident que ceci entraîne une sérieuse
augmentation des coûts. Une deuxième manière consiste à utiliser un
transformateur spécial. De la sorte, les harmoniques de rang 3 et leurs
multiples sont éliminés. L’inconvénient de ce procédé est que les autres
harmoniques (5, 7,…) ne sont pas bloqués et que l’impédance de ligne est
accrue. Cette dernière provoque une distorsion plus intense des autres
harmoniques. Une troisième solution consiste à placer une self avant un élément
non-linéaire. Ceci se fait dans les régulateurs de vitesse et convertisseurs,
sans toutefois obtenir un résultat marquant. Il existe enfin les filtres
passifs dimensionnés par calcul. Ils sont faits d’étages comportant chaque
fois un circuit LC ciblé sur un harmonique donné. Surtout les 5eme et 7eme
harmoniques sont visés. Mais le dimensionnement dépend du spectre harmonique
et de l’impédance de la source, ce qui fait que cette méthode manque de
souplesse.
Compensation active
Depuis un certain temps, des produits bien meilleurs sont apparus sur le marché.
Ils sont basés sur le principe de la compensation active. Un filtre actif
s’adapte continuellement aux variations des harmoniques. Il peut éliminer
tant les harmoniques d’une charge - également dans le conducteur neutre - que
ceux du réseau. Par rapport au filtre passif, il présente des avantages évidents
: pas d’interaction entre filtres adjacents, pas de calcul préalable nécessaire,
large gamme de fonctionnement, résistance à la surcharge et électronique de
contrôle. Ces avantages vont évidemment malheureusement de pair avec un prix
relativement élevé.
Deux familles
Un filtre actif peut être monté soit en parallèle, soit en série. Un filtre
parallèle offre l’avantage de ne pas devoir supporter l’intensité de l’énergie
électrique alimentant les équipements en aval. L’ampleur de ce filtre dépend
uniquement du courant à délivrer. Lorsque l’on choisit le filtre assez
grand, il peut également compenser la puissance réactive. L’installation
d’un tel filtre est relativement simple.
Lorsque le filtre actif est monté en série, il doit pouvoir supporter non
seulement le courant nominal de la charge, mais également la surintensité due
à tout court-circuit. Une protection à action très rapide est donc
indispensable.
Il existe enfin une autre variante : le filtre hybride, qui est une combinaison
entre un filtre actif et un filtre passif. Il permet d’optimiser le rapport coût/performances.
Le filtre passif y prend en charge la majeure partie du travail de compensation,
tandis que le filtre actif normalise le restant. Grâce à cela, le filtre actif
peut y être monté aussi bien en série qu’en parallèle
Conclusion
La pollution harmonique est un problème relativement récent. Il apparaît de
façon remarquable qu’un pollueur de réseau peut être également victime des
harmoniques. Cette pollution affecte non seulement la propre installation, mais
aussi les consommateurs voisins. La technologie récente permet de compenser à
peu près toutes les irrégularités survenant sur le réseau. En contrepartie,
un investissement non négligeable est requis. Une telle protection s’imposera
à l’avenir de plus en plus.
Herman Paternoster
Avec remerciements à Yves De Raymaker, MGE.
