Power Quality

Om een elektrische installatie te laten functioneren, moet deze te beschikken over de juiste spanning en voldoende stroom kunnen leveren. Dit is natuurlijk een algemeen bekend feit. Dat de aangeboden energie onderhevig is aan kwaliteit en dat deze kwaliteit van grote invloed is op de werking van de installatie is niet voor iedereen vanzelfsprekend.

Met gangbare meetinstrumenten, zoals een multimeter of een stroomtang, kan worden vastgesteld dat de netspanning, de stroomsterkte en de frequentie van de wisselspanning de juiste waarden hebben. Desondanks kunnen er grote problemen zijn met de technische installatie door power quality problemen. Hierbij kunt u bijvoorbeeld denken aan harmonischen, flicker, spanningsdips, spanningspieken en onbalans. Deze verschijnselen kunnen resulteren in een onevenredig hoog energieverbruik en het slecht of zelfs helemaal niet functioneren van een installatie. In de EN 50160 (Europese norm) is vastgelegd aan welke eisen de netkwaliteit dient te voldoen. Voor het uitvoeren van een inspectie of het identificeren van problemen met power quality dient een netanalyse te worden uitgevoerd. Hiervoor is specifieke meetapparatuur nodig en een adequaat kennisniveau op het gebied van power quality.

Harmonischen

De gangbare netfrequentie in West Europa is 50 Hz. De aangeboden spanning is sinusvormig en zorgt ervoor dat er een sinusvormige stroom gaat lopen. Bij niet lineaire systemen, zoals frequentie-gestuurde machines, elektronische voorschakelapparatuur en computers kunnen er andere frequentiecomponenten worden gevormd die bekend staan als harmonischen. Deze harmonischen zijn veelvouden van de basisfrequentie. Bij een basisfrequentie van 50 Hz bedraagt de 2^de harmonische dus 100 Hz, de 3^de150 Hz, etc. Een veelvoorkomend power quality probleem is overbelasting van de nulleider door 3^de harmonischen. Dit behoeft wat nadere uitleg.

In een driefasen systeem zijn de fasen 120° ten opzichte van elkaar verschoven. De stroom in de 2^de fase loopt ¹/₃ periode achter op de 1^ste. Wanneer een stabiele, sinusvormige 50 Hz stroom door de drie fasen gaat, zal de stroom door de nulleiding 0 zijn, doordat bij samenkomst deze golfvormen elkaar elimineren.

Bij aanwezigheid van een 3^de harmonische (150 Hz) op elke fase zijn de golfvormen hierdoor echter precies in fase! Als deze harmonischen samenkomen in de nul worden deze niet geëlimineerd, maar bij elkaar opgeteld, waardoor een te grote stroom gaat lopen en de nulleider overbelast kan raken. Deze overbelasting kan verhitting van de kabel tot gevolg hebben waardoor er isolatieproblemen ontstaan, of een transformator kan oververhitten.

Een ander gevolg van harmonischen is de invloed van hogere frequenties op de weerstand van een kabel. Zo kan bij een 7^de harmonische met een frequentie van 350 Hz de weerstand van de kabel tot 60% toenemen ten opzichte van de DC-weerstand. Dit zorgt voor een grote spanningsval en warmteontwikkeling. Indien echter uitsluitend het actieve vermogen door deze kabel wordt gemeten, kan uit de meting blijken dat de gemeten waarde ruim onder de nominale waarde van de kabel ligt.

Om problemen met harmonischen op te lossen zijn verschillende methoden voor handen. Vergroting van de aderdiameter van de nulleider of het gebruik van separate nulleiders per fase zijn voorbeelden hiervan. Er bestaan ook speciale transformatorschakelingen die harmonischen kunnen elimineren. De meest voordelige oplossing is nog altijd om apparatuur elektrisch van elkaar te scheiden. Op deze wijze worden lineaire belastingen fysiek gescheiden van niet-lineaire belastingen. Dit heeft echter wel een toename van het aantal verdeelkasten tot gevolg.

Netanalysers

De meeste netanalysers zijn geschikt voor het verrichten van metingen aan driefasen systemen, waarbij in elk geval spanning, stroom, drie vermogens, de arbeidsfactor, cos j en harmonischen worden geregistreerd. Er zijn ook éénfase netanalysers, maar deze hebben een beperkt toepassingsgebied. Sommige analysers hebben 3 stroomtangaansluitingen, waar anderen er 4 of zelfs 5 hebben. Bij analysers die gebruik maken van 3 aansluitingen worden de drie fasestromen fysiek gemeten en wordt de nulstroom berekend aan de hand van de vectoriële optelling van de fasestromen (alleen de 50 Hz componenten). Bij 4 aansluitingen worden zowel de fasestromen als de nulstroom fysiek gemeten. Bij 5 aansluitingen wordt zelfs de stroom over de aarde gemeten. Het nadeel van 3 t.o.v. 4 of 5 aansluitingen is dat de nulstroom bij 3 aansluitingen wordt berekend, terwijl er harmonischen (andere frequentiecomponenten) aanwezig kunnen zijn. Dit kan leiden tot meetafwijkingen.

Een ander verschil tussen netanalysers is de snelheid waarmee deze samples maakt (het aantal meetpunten per periode/cyclus). Deze snelheid is van wezenlijk belang voor het invangen van snelle veranderingen in de spanning of stroom. De meest gangbare snelheden zijn 64, 128 en 256 samples per cyclus. Een periode/cyclus duurt bij een netfrequentie van 50 Hz slechts 20 ms. Bij een samplesnelheid van 256 voert het instrument dan 50 x 256 = 12800 metingen per seconde uit. Dit geldt voor elk van de ingestelde parameters. Indien een gelijktijdige meting wordt verricht aan een groot aantal parameters stelt dit hoge eisen aan de processorsnelheid van de netanalyser. In de meeste gevallen is het belangrijk om een meting gedurende langere tijd te doen, zodat een goed beeld wordt verkregen van de invloed van verschillende netbelastingen en andere externe factoren. De netanalyser slaat de meetgegevens op zodat deze op een later tijdstip kunnen worden geanalyseerd en een rapport kan worden opgemaakt.Het is dus belangrijk dat het gebruikte instrument beschikt over voldoende opslagcapaciteit in de vorm van een intern of extern geheugen.

De juiste instrumentkeuze

Om een juiste keuze te maken uit het aanbod van netanalysers dient u rekening te houden met verschillende factoren. Het instrument dient te beschikken over de juiste functionaliteit, zodat u alle parameters kunt meten die u nodig hebt. Naast de bovengenoemde (meest voorkomende) parameters bestaan er netanalysers met functies voor aanloopstroom, vectordiagram, afwijking, scope en tranciënten. Het bedieningsgemak is ook een belangrijke overweging. Er zijn netanalysers met een groot, aanraakgevoelig kleurendisplay, waarbij met een eenvoudige menustructuur de juiste instellingen kunnen worden ingesteld. Vaak wordt hierbij zelfs een aansluitschema in beeld weergegeven. 

Voor de communicatie van analysers met de meegeleverde of optionele software is een communicatieprotocol noodzakelijk. Nog altijd is het meest gebruikte protocol RS-232 (seriële aansluiting), om de simpele reden dat dit nog altijd de industriële standaard is. USB en zelfs draadloze communicatie via Bluetooth^® zijn echter duidelijk in opmars. Bij de keuze van het instrument zijn naast de functionaliteit en het bedieningsgemak ook de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van het toestel belangrijke factoren. Laat u hiervoor voorlichten door een leverancier met kennis van zaken, een goed productenpakket en de mogelijkheid tot het verkrijgen van technische ondersteuning. Daarnaast is vaak een periodieke kalibratie van het instrument gewenst, dus het is verstandig voor een organisatie te kiezen die adequaat en zelfstandig kan kalibreren en service kan verlenen.

Klik hier voor een overzicht van Power Quality instrumenten en netanalysers