Arnau Sans, Lead Engineer, HyTEPS
Supraharmonischen verwijzen naar verstoringen in elektrische systemen die optreden binnen een specifiek frequentiebereik: voor Europese 50 Hz-systemen ligt dit tussen 2,5 kHz en 150 kHz, bij 60 Hz-systemen begint het bereik bij 3,0 kHz. Niet alle elektronica is hetzelfde, vooral waar gaat om conversie van AC naar DC of tussen AC-systemen. Verschillen zitten vooral in de elektronica en halfgeleiders, met name de schakelsnelheden. Apparaten schakelen doorgaans op een frequentie van 16-20 kHz, anderen werken weer op 3 kHz, wat veiligheidsrisico’s met zich mee kan brengen. Sommige nieuwe technologieën werken op nóg hogere frequenties, tussen 40-60 kHz.
Waarom is dit van belang? Hogere schakelfrequenties maken het mogelijk om kleinere, geavanceerdere passieve componenten te gebruiken – wat hogere kosten met zich mee kan brengen. Deze hogere frequenties zijn echter ook gemakkelijker te filteren met EMI-filters, die minder effectief zijn bij lage frequenties zoals 3 kHz en nauwelijks effectief bij 16-20 kHz. Uiteindelijk beïnvloedt de keuze van technologie de prestaties en kosten, omdat alle systemen bepaalde frequenties injecteren in aangesloten apparatuur.
Supraharmonischen komen steeds vaker voor in elektrische installaties, om diverse redenen. Zo worden elektrische systemen complexer. Zo moet belasting beter controleerbaar zijn, om vermogen en rotatie van motoren exact in te regelen. Dit was tot voor kort niet mogelijk, maar dankzij elektronica is daar verandering in gekomen. Hoe hoger de schakelfrequentie, hoe compacter apparaten dus kunnen worden, omdat passieve componenten steeds kleiner worden. Dit leidt tot interferentie, en mogelijk storingen, ongewenste activering van alarmen of stroomuitval, omdat condensatoren (passieve componenten) de neiging hebben hogere frequenties te absorberen.
Een belangrijke oorzaak van toenemende supraharmonischen is het wijdverbreide gebruik van elektronische apparatuur die gebruik maakt van vermogenselektronica met hogere schakelfrequenties. Elektronica is altijd essentieel geweest voor zonnepanelen, opslagsystemen en elektrische voertuigen die op DC werken – relatief nieuwe technologieën. Dit soort belastingen wordt steeds vaker aangesloten op uiteenlopende systemen. Dat zorgt voor uitdagingen. Moderne elektronica is gevoeliger voor supraharmonischen. Zo kan verstoring door interferentie leiden tot productieverliezen (door systeemuitval), evenals hoorbare ruis en trillingen in transformatoren, schakelinrichtingen en andere elektrische componenten. Ruis in transformatoren is meestal hoorbaar als de schakelfrequentie binnen het menselijk gehoorbereik ligt (ongeveer 20 Hz tot 16 kHz). Sommige mensen nemen echter frequenties tot 20 kHz of hoger waar. Aanhoudende elektromagnetische interferentie (EMI), spanningsvervormingen en fluctuaties, en harmonische resonanties verkorten de levensduur van componenten, verminderen de systeembetrouwbaarheid en verslechteren de Power Quality.
Uitdagingen bij het omgaan met supraharmonischen
Vroeger bevatten systemen weinig tot geen elektronica. Men was zich nauwelijks bewust van het feit dat hogere frequenties überhaupt problemen konden veroorzaken. Daarom bestaat er geen uitgebreide standaardisatie of regelgeving met betrekking tot supraharmonische limieten en mitigatie. Dit betekent dat er bij het ontwerpen van apparaten en systemen niet altijd voldoende maatregelen in acht worden genomen.
Elk apparaat injecteert een bepaalde supraharmonische stroom. Wanneer bijvoorbeeld zes identieke belastingen worden geïnstalleerd, ontstaan meestal hogere harmonischen. De mate van verstoring wordt uiteindelijk beïnvloed door de mate waarin stroom zich op de spanningsgolfvorm ‘opstapelt’, of de afstand tussen stroomkabels en communicatiekabels.
Naarmate vermogenselektronica meer wordt ingezet, worden problemen met supraharmonischen vaker waargenomen. Hulplasten, bijvoorbeeld bij batterijomvormers, kunnen gevoeliger zijn voor storingen. Supraharmonischen kunnen zich ook door een gemeenschappelijke aarde verspreiden, wat invloed heeft op belastingen zoals computers en monitors. Traditionele harmonische problemen kunnen worden gemitigeerd met passieve en actieve filters of slim ontwerpen van elektrische systemen, maar supraharmonischen vragen om andere oplossingen, omdat ze niet kunnen worden aangepakt met conventionele harmonische filters.
Oplossingen: slimme analyse en gespecialiseerde technieken
Meten en mitigeren van supraharmonischen vraagt om gespecialiseerde apparatuur. Standaard Power Quality-analyzers en harmonische meters zijn vaak ontoereikend om golfvormen in dit frequentiebereik te analyseren. Het aanpakken van supraharmonische problemen in elektrische installaties vraagt om gespecialiseerde methoden en uitgebreide expertise. Supraharmonischen tussen installaties kunnen aanzienlijk verschillen, en vragen om geavanceerde monitoring, analysetools en specifieke training.
Geschikte Power Quality-meters, oscilloscopen, spectrum analyzers, dataverzameling en -analyse, en ervaring maken het mogelijk om supraharmonische frequenties en waardes, inclusief bronnen en patronen, vast te stellen. Op basis van analyses kunnen oplossingen zoals EMI-filters, afscherming en aarding worden geïmplementeerd om ongewenste frequenties te dempen en problemen zoals resonantie te verminderen.
Noodzaak van expertise en proactieve maatregelen
Om de complexe interacties tussen elektrische systeemcomponenten te doorgronden, en in kaart te brengen hoe deze interacties supraharmonischen veroorzaken of versterken, is een grondig begrip van Power Quality-uitdagingen, inclusief supraharmonischen, essentieel. Met de juiste expertise is het mogelijk om oplossingen te laten voldoen aan huidige en aankomende regelgeving en best practices.
Samenwerken met specialisten zorgt ervoor dat elke stap effectief wordt uitgevoerd. Dat betekent betere Power Quality en een betrouwbare, duurzame werking van elektrische systemen.