Power quality: octopus met meerdere tentakels

"U hebt een probleem met de power quality". Zo luidde het verdict bij een kmo na een analyse door een installateur. Was het wat gemakzucht, of ontbrak het de collega aan kennis over de materie? We weten het niet, maar de klant verdient in elk geval een veel specifieker antwoord dan het containerbegrip ‘power quality’. 

De onzichtbare sluipschutter

Als klanten geconfronteerd worden met elektriciteitsproblemen, zijn ze meestal al van die aard dat ze een grote impact hebben op de dagelijkse werking van het bedrijf: ofwel leidt de productie eronder door frequente stilstanden, ofwel zijn er reële veiligheidsproblemen met opwarming, ofwel loopt de factuur te veel op door de arbeidsfactor. Naast deze duidelijke motieven, zijn er nog meerdere indicatoren die een pak minder duidelijk zijn. Of die op zijn minst moeilijker te linken zijn aan problemen met de elektriciteit. Zo zal snelle slijtage van motoren en andere apparatuur snel toegewezen worden aan de kwaliteit van de motor zelf, niet aan die van de toegevoerde elektriciteit. Ook voor stijgende onderhoudskosten en kleinere energieverliezen is dat het geval. Zelfs bij een aanzienlijke opwarming van correct gedimensioneerde kabels en componenten zal door een leek niet meteen de link gelegd worden met een van de facetten van power quality.

één term, meerdere problemen

Zoals in de aanhef aangegeven, is power quality een containerbegrip waarmee meerdere problemen aangeduid worden. Die problemen hebben niet noodzakelijk ook iets te maken met elkaar, moeten soms zelfs met andere meettoestellen gemeten worden en even vaak is ook de oplossing maatwerk. Daarom pakken we in onderstaande telkens één verschijnsel aan, met de bijhorende meetmethode en de passende oplossing.

Harmonischen

De netfrequentie bedraagt zoals u weet 50 Hz, dit wordt ook de grondfrequentie genoemd. In elke installatie komen evenwel storingen voor die een veelvoud zijn van deze frequentie, zo spreken we over de 2e, 3e, 4e … harmonische. In de praktijk zijn evenwel enkel de oneven harmonische van tel, de even harmonische zijn te verwaarlozen.

In de praktijk zijn evenwel enkel de oneven harmonische van tel

De totale vervorming wordt genoteerd als THD (Total Harmonic Distortion), dit is een percentage van de grondfrequentie. Hoe hoger het percentage, hoe meer harmonische vervuiling. Elk elektrisch toestel heeft specifieke karakteristieken wat harmonische betreft, maar we kunnen wel stellen dat dit probleem de afgelopen jaren sterk toegenomen is.

Oorzaak daarvan is het toegenomen aandeel van hoogfrequente toepassingen, zoals omvormers en ledsturingen. Om één en ander binnen de perken te houden, werden in de EN50160 maximumwaarden vastgelegd waarin ook de harmonische aan bod komen. De gevolgen kunnen lange tijd onder de oppervlakte blijven, maar sommige aanwijzingen worden beter niet in de wind geslagen. Zo is het onbedoeld schakelen van veiligheden een bekend fenomeen. Ook zoemende geluiden in transfo’s en versnelde opwarming en/of slijtage van motoren, kabels en andere apparatuur kunnen wijzen op te veel harmonische.

Oplossingen

Om harmonische binnen de grenzen van de norm - of strenger indien gewenst - te houden, kan gebruikgemaakt worden van een actief of passief harmonische filter. Een actief filter detecteert autonoom de aanwezige harmonische stromen in de installatie en kan deze compenseren. De plaatsing van de filter is van groot belang om een efficiënte werking te waarborgen. De detectie kan plaatsvinden in de voeding van een potentiële opwekker van harmonische of in de voeding van de totale elektrische installatie. Er valt voor beide werkwijzen wel iets te zeggen. Als er in de installatie slechts enkele potentiële bronnen zijn voor hevige harmonische, is een decentrale plaatsing aangewezen. Zijn er echter meerdere bronnen, dan zal men eerder opteren voor een filter op de algemene voeding van de installatie.

Een passief harmonische filter verschilt van zijn actieve filter
omdat hij een eerder vast stramien volgt

Een passief harmonische filter verschilt van zijn actieve filter omdat hij een eerder vast stramien volgt. Als de installatiekarakteristieken veranderen door wijzigende belastingen, dan moet dit type opnieuw ingesteld worden. Een passief filter wordt in de praktijk vooral toegepast bij belastingen die een vaste harmonische vervuiling produceren.

EMC

De EMC/EMI-normen zeggen dan een component en, apparaat moet adequaat functioneren zonder elektromagnetische verstoringen te veroorzaken noch zelf vatbaar te zijn voor elektromagnetische storingen door andere apparaten of componenten. Deze verstoring kan zich op diverse wijzen voordoen: inductief, capacitief, geleiding en via straling.

In de praktijk is EMC een zeer moeilijk vakgebied

In de praktijk is EMC een zeer moeilijk vakgebied, waarbij zowel het meten, analyseren als het formuleren van een goede oplossing waar specialistenwerk is. Bovendien is de normering ook vaag, waardoor de problematiek zeker niet verminderde de afgelopen jaren. Er zijn wel standaardoplossingen zoals EMI-filters, maar vaak is een specifieke benadering de enige mogelijke oplossing.

Spanningsdip

In de norm EN 50160 rond ‘Spanningskarakteristieken in openbare elektriciteitsnetten’ wordt de definitie van een spanningsdip omschreven: een plotselinge verlaging van de spanning tot een waarde tussen 90% en 1% van de afgesproken spanning, gevolgd door een herstel na een korte tijdsperiode. De dipduur ligt tussen 10ms en 1min en de dipdiepte is het verschil tussen de minimale effectieve waarde van de spanning gedurende de dip en de afgesproken waarde. In de praktijk is de dipduur meestal enkele seconden. Duurt een dip langer dan 1 minuut dan spreken we niet meer van een spanningsdip, maar een onderbreking.

De gevolgen van een spanningsdip kunnen
ingrijpend zijn voor een bedrijf

De gevolgen van een spanningsdip kunnen ingrijpend zijn voor een bedrijf. Systemen kunnen uitvallen, met stilstand van productielijnen tot gevolg. Spanningsdips zijn in Westerse landen veel meer voorkomend dan onderbrekingen, maar kunnen dus even nefast zijn.

Het is ook meteen duidelijk dat dit power-qualityprobleem niet meteen te vergelijken valt met de andere opgesomde kwaliteitsproblemen. Door zijn aard is de meting ook een werk van lange adem, omdat de dips over een langere termijn in kaart moeten worden gebracht voor er een oplossing kan worden geformuleerd. De oorzaken kunnen ook zeer divers van aard zijn: het aanlopen van zware motoren, kortsluitingen in het middenspanningsnet, problemen met de hoogspanning … Er zijn meerdere opties om spanningsdips aan te pakken, zoals werken met een UPS, Active Voltage Conditioners of AC/AC-omvormers.

Cosinus phi

Het werkelijk vermogen wordt in een industriële installatie omgezet in energie voor machines, licht, verwarming, koeling en dergelijke. Er is evenwel nooit een 100% omzetting, want een deel van het vermogen gaat verloren. Dit is het reactief vermogen ofwel blindvermogen (kVAr) dat achterblijft tijdens de opwekking van magnetische en elektrische velden in ledlampen, motoren, transfo’s en dergelijke. De cos phi is de verhouding tussen het werkelijk (actief) vermogen en het schijnbaar (totaal) vermogen. In een ideale situatie bedraagt deze 1. De spanning en stroom zijn dan in fase en het actief vermogen is in dit geval gelijk aan het schijnbaar vermogen. Door de aanwezigheid van inductief en/of capacitief blindvermogen neemt het schijnbaar vermogen toe en zal de arbeidsfactor kleiner dan 1 worden.

Oplossingen

Om de cosinus phi aan te passen, kan gebruikgemaakt worden van condensatorbatterijen. Er kan gewerkt worden met vaste condensatortrappen die op elk moment dezelfde compensatie voorzien, of met automatische condensatortrappen die een aan de realiteit aangepaste compensatie garandeert. De cos phi in het net van het bedrijf wordt hierbij voortdurend gemeten aan de hand van een stroommeetspoel die de stroom meet op één fase. Een regelaar meet tegelijk de spanning op de andere 2 fasen. Zo is in detail geweten in hoeverre de spanning voorijlt op de stroom. Op basis van die informatie worden via contacteren een aantal condensatoren geschakeld, die de situatie terug zullen compenseren en een hogere cos phi bereikt wordt. Als er in het bedrijf sprake is van snel wisselende belastingen (lasrobots, hijstoepassingen, spuitgieten …) kan ook een thyristorgestuurde compensatiebank ingezet worden. Deze schakelen snel en precies op de nuldoorgang van de stroom. Hierdoor wordt de belasting snel en precies gevolgd waardoor onder- of overcompensatie wordt voorkomen.

Belasting kan meting compleet vertekenen

De powerfactor wordt al jaren als synoniem gebruikt voor de cos phi. Dat gaat vandaag eigenlijk niet meer op, want beter wordt overgeschakeld naar de ‘displacement power factor’. PF en DPF lijken beide hetzelfde te meten, meer bepaald de efficiëntie van de energieverdeling. De powerfactor geeft de relatie tussen het werkelijk vermogen (P) en het schijnbaar vermogen (Ps) weer, door de faseverschuiving tussen spanning en stroom mee te nemen in de berekening van het blindvermogen. Die benadering werkt prima als er met lineaire belastingen gewerkt wordt, maar schiet eigenlijk te kort als er niet-lineaire belastingen in de installatie aanwezig zijn. Meettoestellen die niet ingesteld zijn om met deze niet-lineaire belastingen om te gaan, kunnen zo een compleet verkeerd resultaat opleveren! Zeker met de huidige boom in elektronische toepassingen in het achterhoofd is dit een zeer belangrijke factor. De motoren in uw bedrijf vormen een inductieve belasting, die misschien zelfs gecompenseerd moesten worden met condensatorbatterijen om de cos phi binnen de perken te houden.

De evolutie naar meer energie-efficiëntie in bedrijven leidt evenwel tot een toenemend gebruik van frequentieregelaars en ledverlichting, die beide een capacitieve belasting vormen. Met andere woorden: de condensatorbatterijen zijn misschien niet langer goed gedimensioneerd, tot zelfs compleet contraproductief.
Kijk daarom altijd na of uw meetapparatuur geschikt is om deze niet-sinusvormige spanningen en stromen in kaart te kunnen brengen. Een belangrijke parameter hier zijn de vorm- en Crest-factor. De vormfactor is de verhouding van de effectieve spanning of stroom ten opzichte van de gemiddelde spanning of stroom. De Crest-factor is de piekstroom ten opzichte van de effectieve waarde. Bij een perfect sinusvormige spanning is die vormfactor altijd exact 1,1.

Veel meettoestellen zijn - omwille van financiële redenen - vast ingesteld op deze waarde. In de huidige situatie is deze benadering risicovol, want bij een niet-sinusvormig verloop loopt u het risico compleet fout te meten. True RMS-meters daarentegen meten op een andere manier, waardoor hun vorm- en Crest-factor ingesteld zijn op de échte waarde in plaats van de vaste 1,1 waarde.

Flicker

Het woord flicker is rechtstreeks afgeleid van het effect dat de schommelingen in de elektrische spanning hebben op gloeilampen en andere elektrische verlichtingstoestellen. Dit effect kan door het menselijk oog worden waargenomen. De aanleiding van problemen met flicker in elektriciteitstransmissie- en distributiesystemen zijn onder meer vlamboogovens, motoren met hoog vermogen met zeer snelle stop-en-start-cycli, zaagmachines en lasmachines met hoog vermogen. Flicker mag niet onderschat worden, omdat het de productie-omgeving kan beïnvloeden. Vermoeidheid en een lagere werkconcentratie van het personeel zijn bijvoorbeeld bekende gevolgen. Bovendien kunnen de spanningsschommelingen ook elektrische en elektronische apparatuur verstoren en zo schadelijke effecten veroorzaken in productieprocessen. Er zijn specifieke meters op de markt om flicker te meten.