Elkvalitetsproblem - Övertoner

Problem med övertoner i elektriska installationer tycks vara något som ofta förbises på grund av bristande förståelse. Detta leder ofta i sin tur till att industrier och andra större elförbrukare upplever problem i sina installationer. Många gånger fokuserar man mer på symtomen snarare än de bakomliggande orsakerna till dessa problem. I denna första artikel i en serie korta artiklar om energikvalitetsfrågor tittar vi på orsaker samt symtom. Dessutom tittar vi på några lösningar på problemen med övertoner.

Under de senaste 30 åren har det skett en stor ökning av antalet icke-linjära belastningar anslutna till det elektriska nätverket. Exempel på dessa laster är drivdon till datorer och tillhörande IT-utrustning. Exempelvis avbrottsfri strömförsörjning, frekvensstyrda elmotorer, elektroniska belysningsdon och LED-belysning. Idag uppskattas det att över 95% av övertonerna i en elektrisk installation genereras från denna typ av utrustning.

När en linjär elektrisk belastning är ansluten till elnätet så drar den en sinusformad ström med samma frekvens som spänningen medan icke-linjära belastningar drar strömmar som inte nödvändigtvis är sinusformade.

En ströms vågform kan bli ganska komplex beroende på typ av belastning samt hur den påverkas av andra komponenter i installationen. Icke-linjära belastningar ökar strömmen och i allvarliga fall också spänningen. Vilket kan orsaka störningar i elförsörjningen och kan leda till betydande energiförluster samt förkortad livslängd och minskad effektivitet på inkopplad utrustning.

Förvrängning av vågformen kan matematiskt analyseras för att påvisa överlagring av ytterligare frekvenskomponenter på den ursprungliga 50Hz sinusvågen. Dessa frekvenser är övertoner av den fundamentala frekvensen och kan ibland spridas ut från de icke-linjära lasterna och då orsaka problem på andra ställen i den elektriska installationen.

Oavsett hur komplex en ströms vågformer kan bli så är det möjligt att analysera den till en serie enkla sinusvågor med en Fourieranalys.

En av de mätningar som ofta används för att ange den totala mängden harmonisk distorsion (övertoner) i ström som finns i en elektrisk installation är THDi (total harmonic current distortion). Detta är ett förhållande mellan summan av alla övertonsströmmar och strömmen vid den fundamentala frekvensen som beskrivs av ekvationen:

Ström med övertoner har negativa effekter på nästan alla objekt i det elektriska systemet genom att stressa känsliga elektroniska enheter och orsaka dielektriska termiska och mekaniska spänningar.

De vanligaste av dessa negativa effekter visar sig bl.a. att datorer och annan IT-utrustning kraschar eller låser sig, belysningen flimrar och elektroniska fel uppstår i kontrollutrustning och i utrustning för strömfaktorkorrigering (PFC). Även fel vid hög lastomkoppling och överhettning av neutralledare eller strömbrytare som krånglar samt att man kan få felaktiga mätresultat.

Några av dessa negativa effekter, som flimrande belysning och IT-kraschar är minst sagt irriterande och störande för alla verksamheter. Elektroniska fel i produktionslinjer eller på utrustning för processtyrning kan också kosta företag stora summor i oplanerade stilleståndstider. Men värst av allt är ändå havererad utrustning för effektfaktorkorrigering (PFC) och utrustning i eldistributionen som trasiga kabelfel eller fel på transformatorer och motorer. Åtminstone kommer närvaron av övertoner att orsaka minskad elektrisk effektivitet inom installationen och överdriven strömförbrukning som du kommer att få betala för.

Det interna motståndet i en kondensator minskar när frekvensen stiger och vid höga frekvenser kan det uppträda nästan som en kortslutning. Effektfaktorkorrigeringskondensatorer (PFC) är generellt utformade för att fungera vid grundfrekvensen. Den lägre impedansen som uppstår av de högre frekventa övertonsströmmarna kan resultera i en överhettning av kondensatorn. Det är också möjligt att det uppstår permanenta skador på kondensatorer på grund av parallellresonans som uppstår mellan dem och transformatorer.

Resistiv uppvärmning är proportionell mot kvadraten i övertonens ordning. Vilket innebär att ju större antal överordnade övertoner som finns, desto större blir värmeeffekten.

Detta kommer åtminstone att leda till stora järnförluster och därmed ökad strömförbrukning i elmotorer och transformatorer samt ökade virvelströmsförluster i transformatorer. I värsta fall kan det leda till bränder i lednings- och distributionssystem eller katastrofala transformatorhaverier.

Förutom förluster på grund av värmeeffekter kan motorer påverkas avsevärt negativt av övertoner på grund av vridningsoscillation av motoraxeln. Vridmoment i växelströmsmotorer uppstår genom samspelet mellan luftspaltsmagnetfältet och inducerade strömmar i rotorn. När en motor matas med icke-sinusformade spänningar och strömmar kommer magnetfältet i luftspalten och rotorströmmarna att innehålla övertoner. Övertonerna är grupperade i positiva sekvenser, negativa sekvenser och nollsekvenser. Positiv sekvens av övertoner (1, 4, 7, 10, 13, m.m.) producerar magnetfält och strömmar som roterar i samma riktning som grundfrekvensen. Negativ sekvens av övertoner (2, 5, 8, 11, 14, m.m.) utvecklar magnetfält och strömmar som roterar i en motsatt riktning till den positiva frekvensuppsättningen. Nollsekvens av övertoner (3, 9, 15, 21, m.m.) utvecklar inte användbart vridmoment utan ger ytterligare förluster i maskinen. Samspelet mellan de positiva och negativa magnetfälten och strömmarna ger upphov till torsionssvängningar på motoraxeln. Dessa svängningar resulterar i axelvibrationer. Om svängningsfrekvensen sammanfaller med axelns naturliga mekaniska frekvens förstärks de och allvarlig skada på motoraxeln kan uppstå. Ibland är det möjligt att bokstavligen höra en transformator eller motor ”sjunga eller morra” på grund av dessa vibrationer och detta är ofta en av de första observerade indikationerna på ett problem orsakat av övertoner.

Några av de mest besvärliga övertonerna är den 3:e och udda multiplar av den 3:e, d.v.s. den 9:e, 15:e m.m. Dessa övertoner kallas ”trippel”. Trippelövertonerna i varje fas är alla i fas med varandra vilket får dem att lägga till snarare än att avbryta övertonerna i den neutrala ledaren i ett trefas fyrtrådssystem. Detta kan överbelasta neutralledaren om den inte är dimensionerad för att hantera denna typ av last.

Som tur är så är det enkelt att identifiera och mäta övertoner med hjälp av en effektkvalitetsanalysator eller en energilogger (PEL) med funktioner för övertonsmätning. Även om övertonerna inte helt kan elimineras eftersom de genereras av de olika belastningarna i installationen.

De huvudsakliga metoderna som används är passiva eller aktiva filtrerings- eller isoleringssystem för att begränsa försämringen av energikvaliteten och andra skadliga effekter såväl som användningen av avstämd effektfaktorkorrigeringsutrustning. När övertonerna väl sen är ”under kontroll”, så kommer tillhörande problem som strömförluster, fel på utrustning och avbrott samt energikostnader att minska.

Övertoner kan ofta orsaka stora problem i moderna elektriska installationer och problemen blir allt vanligare när fler switchande och smarta belastningar introduceras och installeras. Därför är det viktigt att övertoner övervakas och mäts regelbundet för att verifiera deras nivåer och för att förhindra potentiella fel.