sluiten

Inloggen

Log hieronder in met uw gebruikersnaam en wachtwoord.

Deze ontvangt u van ons bij het afsluiten van een (proef)abonnement.

Nog geen inlog? meld u gratis aan


Vragen?
Kunt u niet inloggen of heeft u vragen over een (proef)abonnement?.
Neem dan contact op met BIM Media Klantenservice:

sluiten

Welkom bij de Kennisbank Power Quality

Om de uitgebreide informatie op de kennisbank te kunnen lezen heeft u een inlogcode nodig. Deze ontvangt u bij het afsluiten van een abonnement.

Waarom de Power Quality-kennisbank

  • Kennis van experts altijd beschikbaar
  • Antwoorden, oplossingen en tools
  • Toevoegen van eigen notities mogelijk
  • Praktijkcases, veelvuldig aangevuld
  • Handige formules en interactieve berekeningen
Neem nu een abonnement >

Abonnement € 255,- per jaar, ieder moment opzegbaar. Meer over een abonnement op Power Quality

“ De Power Quality boeken hielpen me al goed op weg, maar met de Kennisbank Power Quality zijn antwoorden, oplossingen en tools altijd en overal beschikbaar ”
 

H. Vlottes, directeur Vlottes Electromechaniek
Installatie Service Bureau

Inloggen voor abonnees


Vragen?
Kunt u niet inloggen of heeft u vragen over een abonnement?
Neem dan contact op met Vakmedianet Klantenservice: 088 58 40 888

Of stuur een e-mail naar: klantenservice@vakmedianet.nl

Definitie zwakke netten

De noodzaak om goed te kijken naar de kwaliteit van spanning en stroom is er altijd wel, omdat vervorming in stroom leidt tot overbelasting en energieverliezen. Onvoldoende kwaliteit van spanning kan leiden tot overbelasting of niet goed functioneren van apparaten of processen.

In zwakke netten is er door de sterke interactie tussen de stroom en de spanning een groetere kans op problemen. Een vervormde stroom zal door de hoge impedantie van het net al snel leiden tot grote vervorming in de spanning (zie afbeelding).

Vervorming in stroom leidt door hoge impedantie tot vervorming in de spanning

Vervorming in stroom leidt door hoge impedantie tot vervorming in de spanning.

 

De definitie van “zwakke” netten is het best uit te drukken in relatie met het nominale vermogen wat aangesloten moet worden, moet worden gebruikt of moet worden ingeschakeld. Een goede indicatie van de sterkte van het net kan worden verkregen door de verhouding tussen kortsluitvermogen en nominaal vermogen. In onderstaande tabel is een indicatie van de sterkte van het net gegeven.

 

Type netwerk

Psc/Pn

Zwak

<20

Gemiddeld

20≤ Psc/Pn≤100

Sterk

>100

Indicatie “sterkte” van het voedende net.

 

Als het kortsluitvermogen op de plek van de aansluiting 100 maal groter is dan het aan te sluiten vermogen, kan worden gesproken van een sterk net. De spanning zal nauwelijks worden beïnvloed door de stromen die er lopen. Een gemiddeld net (verhouding kortsluitvermogen/nominaalvermogen ligt tussen 20 en 100) zal veel voorkomen en in de regel zijn er weinig problemen te verwachten. Bij een zwak net is voorzichtigheid geboden.

 

Een zwak net kan vaker voor dan we denken. Uiteraard wordt snel gedacht aan installaties op schepen en offshore industrie omdat hierbij geen verbinding is met het sterke openbare net. Maar er zijn veel andere voorbeelden zoals bij tijdelijke installaties gevoed door generatoren (festivals, kermissen) of installaties die bij noodbedrijf gevoed worden door generatoren (banken, ziekenhuizen). Wellicht dat juist in deze laatste categorie het risico het grootst is. Bij noodbedrijf, waar toch al een probleem aanwezig is, kan dan de kwaliteit van de spanning ook nog eens te wensen over laten.

 

Om enig inzicht te geven in de verschillen tussen een gemiddeld/sterk net en een zwak net zullen we een voorbeeld uitwerken waarbij geschakeld wordt tussen een openbaar net en een generator (zie onderstaande figuur).

 

Voorbeeld installatie openbaar net/generatorbedrijf

Voorbeeld installatie openbaar net/generatorbedrijf.

 

De installatie is verbonden met het openbare 10 kV-net door middel van een transformator met een nominaal vermogen van 1000 kVA. Het kortsluitvermogen aan de LV-kant is 14 MVA. De installatie kan bij een onderbreking van het openbare net ook gevoed worden door een generator met een schijnbaar vermogen van 1 MVA en een kortsluitvermogen van 6 MVA. De belasting is een vermogenselektronische aandrijving met een vermogen van 200 kVA die een vervormde stroom geeft. Daarnaast zijn er diverse algemene belastingen met een totaal vermogen van 400 kVA, met een arbeidsfactor van 0.7. Deze lage arbeidsfactor wordt veroorzaakt door inductieve belastingen. Om deze arbeidsfactor te verbeteren is ook een 250 kvar condensatorbank aangebracht.

 

Als de installatie is verbonden met het openbare net dan is de ratio tussen kortsluitvermogen en nominaal vermogen ongeveer 28 (gemiddeld sterk net). In generatorbedrijf is deze ratio ongeveer 12 (zwak netwerk).

 

Een ander aspect waar bij deze speciale netten rekening moet worden gehouden is het feit dat ook de eisen andere kunnen zijn. In onderstaande tabel is een overzicht gegeven van de eisen die gesteld worden aan de kwaliteit van de spanning van het openbare net (EN50160) en de eisen voor de spanning aan boord van schepen (IEC 60092-101).

EN50160 vergeleken met IEC 60092-101

EN 50160 vergeleken met IEC 60092-101.

Harmonische vervorming

In bovenstaande figuur is de installatie (algemene en vervuilende belasting) verbonden met het openbare net. De condensatorbank is nog niet aangesloten. De stromen van de vervuilende belasting zijn hieronder weergegeven in de figuren Stroomvorm en Harmonische spectrum hieronder. Er is sprake van 5e, 73, 11e en 13e harmonische vervorming.

Stroomvorm van de vervuilende belasting
Stroomvorm van de vervuilende belasting.
 

Harmonisch spectrum van de stroom

Harmonisch spectrum van de stroom.

 

In de figuren Spanningsvorm en Harmonisch spectrum spanning is de invloed van de belasting op de spanning weergegeven.


Vervorming van de spanning, aansluiting op openbare net

Vervorming van de spanning, aansluiting op openbare net.

 

Harmonisch spectrum van de spanning

Harmonisch spectrum van de spanning.

 

Als de installatie is aangesloten op het openbare net blijkt de invloed van de stroom op de spanning dus gering te zijn. De impedantie van het net is dan ook laag (zie onderstaande figuur). In deze figuur is de waarde van de R, X en Z weergegeven afhankelijk van de frequentie.

Impedantie

Impedantie, gezien van LS-rail bij aansluiting op het openbare net.

 

Als de installatie wordt losgekoppeld van het openbare net en wordt gevoed door de generator (zie onderstaande figuur) ontstaat een network met een grote inwendige impedantie. De impedantie gezien vanuit de LS-rail, maar dan met voeding van de generator is weergegeven in de figuur eronder.

Installatie gevoed door generator, losgekoppeld van net

Installatie gevoed door generator, losgekoppeld van net.


Impedantie, gezien van LS-rail bij voeding door generator

Impedantie, gezien van LS-rail bij voeding door generator.

 

Door de stijging van de impedantie, zal ook de vervorming van de spanning toenemen. In onderstaande figuren Spanningsvorm en Harmonische spectrum spanning is de spanning bij generatorbedrijf weergegeven.

Vorm van de spanning bij generatorbedrijf

Vorm van de spanning bij generatorbedrijf.

 

Harmonisch spectrum van de spanning bij generatorbedrijf

Harmonisch spectrum van de spanning bij generatorbedrijf.

 

We kunnen dus constateren dat de vervorming van de spanning in generatorbedrijf boven de grenswaarde van de norm EN 50160 uitgaat. Deze vervorming zal leiden tot een verkorte levensduur van apparatuur en kan niet goed functioneren van toestellen tot gevolg hebben.

 

Een andere situatie ontstaat als ook de condensatorbank wordt aangesloten op de installatie (zie onderstaande figuur). De impedantie van het systeem verandert en door de aanwezigheid van een inductiviteit (L) en een condensator (C) ontstaat er een bepaalde frequentie waarbij resonantie kan optreden. De frequentie-impedantie karakteristiek is weergegeven in de figuur eronder, waarbij zichtbaar is dat resonantie optreedt rondom de 9e harmonische. Aangezien deze frequentie niet aanwezig is in het systeem, is dit geen probleem. De vervorming van de spanning in deze situatie waarbij de installatie weer is aangesloten op het openbare net, is weergegeven in de figuur daar onder.

Installatie aangesloten op openbare net, inclusief condensatorbank

Installatie aangesloten op openbare net, inclusief condensatorbank.

 

Impedantie-frequentie karakteristiek met resonantie rondom 9e harmonische

Impedantie-frequentie karakteristiek met resonantie rondom 9e harmonische.

 

Spectrum van de spanning, openbaar net met condensatorbank

Spectrum van de spanning, openbaar net met condensatorbank.

 

Door de aanwezigheid van de condensator zijn de impedanties in het systeem veranderd en dus ook de stromen door de transformator. Er is een kleine stijging te zien van de harmonische spanning, maar nog ruim beneden de acceptabele limieten. Als de capaciteit van de condensatorbank toevallig zo was gekozen dat de resonantie frequentie zou overeenkomen met een frequentie van stroom of spanning die aanwezig is in het netwerk zou dit ook met dit relatief sterke net tot grote problemen kunnen leiden. In onderstaande figuur is de frequentie-impedantie karakteristiek weergegeven bij een keuze van een condensatorbank waarbij resonantie optreedt bij de 7e harmonische.

Resonantie bij 350 Hz

Resonantie bij 350 Hz.

 

Door de resonantie bij deze frequentie ontstaat er een grote vervorming van de spanning. De 7e harmonische stroom vermenigvuldigt met deze hoge impedantie bij deze frequentie is hier de oorzaak van. De harmonische vervorming van de spanning bedraagt meer dan 8%, zoals te zien is in onderstaande figuur.

 

Verhoging van de 7e harmonische spanning door resonantie

Verhoging van de 7e harmonische spanning door resonantie.

 

Deze vervorming in de spanning leidt ook tot een grote vervorming van de stroom door de condensatoren. In de vorm van de stroom door de condensatorbank (zie onderstaande figuur) is de aanwezigheid van de 7e harmonische duidelijk zichtbaar.

Harmonische vervorming van de stroom in condensatorbank bij resonantie

Harmonische vervorming van de stroom in condensatorbank bij resonantie.

 

De toename van de stroom kan voor schade aan de condensatorbank zorgen.

 

Als de condensatorbank wordt aangesloten in de situatie waarbij de installatie wordt gevoed door de generator, ontstaat weer een geheel andere situatie (zie onderstaande figuur). De inductiviteit van het voedende net verandert en de frequentie-impedantie karakteristiek is weergegeven in de figuur daaronder.

Installatie met C-bank gevoed door generator

Installatie met C-bank gevoed door generator.

Frequentie-impedantie karakteristiek bij generatorvoeding incl. C-bank

Frequentie-impedantie karakteristiek bij generatorvoeding incl. C-bank.

 

Door de aanwezigheid van de condensatorbank is de impedantie van het systeem verlaagd en wordt ook de vervorming in de spanning verkleind. Het grootste deel van de harmonische stromen vloeit nu niet terug naar de generator maar gaat naar de condensatorbank. In onderstaande figuur is de harmonische vervorming van de spanning afgebeeld.

Harmonisch spectrum bij voeding door generator incl. C-bank

Harmonisch spectrum bij voeding door generator incl. C-bank.

 

Op het moment dat er in generatorvoeding sprake is van een resonantiefrequentie ontstaat een dusdanig probleem met harmonische dat beschadiging of uitschakeling van de condensatorbank zal plaatsvinden.

Inschakelstromen

Naast harmonische vervorming heeft ook een variatie in stroom een impact op de variatie in spanning. Ook hier zal bij een zwakker net een inschakelstroom leiden tot een grotere spanningsdaling. Als voorbeeld zal bij de “algemene belasting” een motor worden ingeschakeld met een nominaal vermogen van 25 kW, een nominale stroom van 50 A en een inschakelstroom van 180A. In onderstaande figuur is het actieve vermogen, reactieve vermogen, de inschakelstroom en de optredende spanningsvariatie weergegeven bij inschakeling in de situatie met koppeling aan het openbare net. De spanning zakt door de inschakeling kortstondig tot een waarde van ca 0,94 p.u. en stabiliseert daarna op een waarde van 0.95 p.u.

Stroom, spanning en vermogens bij inschakeling motor op openbare net

Stroom, spanning en vermogens bij inschakeling motor op openbare net.

 

 

Bij inschakeling op een zwak net (generatorbedrijf) zakt de spanning tot een waarde van 0.86 en zal dus als een “spanningsdip” gekenmerkt worden (zie onderstaande figuur).

Spanningsdaling bij inschakeling in generatorbedrijf

Spanningsdaling bij inschakeling in generatorbedrijf.

Transiënten

Bij de toepassing van gelijkrichterbruggen ontstaan er transiënten als gevolg van commutatieovergangen. In onderstaande figuur is een zes-pulsige brug weergegeven. De spanningen die verbonden zijn met deze brug zijn de lijnspanningen zoals weergegeven in de figuur eronder.

Zes-pulsige brugschakeling

Zes-pulsige brugschakeling.

 

Lijnspanning, aangesloten op de takken van de brug

Lijnspanning, aangesloten op de takken van de brug.

 

In onderstaande figuur is weergegeven hoe de DC-spanning ontstaat en welke lijnspanning op een gegeven moment de DC-zijde voeden. Dit bepaalt ook welke dioden op een gegeven moment moeten geleiden. Bij de overgang bijvoorbeeld van U13 naar U23 (zie onderstaande figuur) moet diode 2 gaan geleiden in plaats van diode 1. Een kort moment zullen beide nog geleiden, waardoor er een stroompiek en dus ook een spanningsvariatie ontstaat. Dit geeft de optredende transiënten (ook wel notches genoemd) zoals weergegeven in de figuur eronder. Ook voor dit fenomeen geldt dat bij een zwak net de impact van de stroom op de spanning groter is. Wel zal de optredende stroom iets lager zijn dan bij een sterk net, dus dit compenseert het fenomeen weer een beetje.

De DC-spanning, geconstrueerd uit de lijnspanningen

De DC-spanning, geconstrueerd uit de lijnspanningen.

 

De optredende transiënten

De optredende transiënten.

 

Deze transiënten kunnen, zeker als het meerdere nuldoorgangen tot gevolg heeft vervelende gevolgen hebben voor regelingen die de nuldoorgang van de spanning gebruiken als referentie voor bijvoorbeeld tijd. In de praktijk zijn problemen met besturing van verlichting (dimmers) vaker gesignaleerd.