artikel

Harmonischen verkorten levensduur lampen

elektrotechniek

Harmonischen verkorten levensduur lampen

Toestellen die met onverwachte harmonische stromen worden belast, hebben een kortere levensduur. In dit artikel bespreken we een situatie waarin steeds kortstondig een overbelasting van de lampen plaatsvindt. Het kortstondige karakter maakt het meten nog iets moeilijker omdat met gemiddelde waarden geen bijzondere afwijkingen in de stroom worden gevonden.

Door Sjef Cobben

In figuur 1 is in heel grote lijnen de situatie geschetst in een bedrijf waar met te grote regelmaat de lampen in de hal moesten worden vervangen. In de productiehal is een gelijkstroommotor met elektronische aandrijving aanwezig. Op dezelfde verdeelinrichting is ook de schakel- en verdeelinrichting voor de verlichting aangesloten. De verlichting is ook geen lineaire belasting en heeft ook bij een relatief schone spanning harmonische stromen. Dit zijn vooral ook 3e harmonischen. Tip: Installatie Journaal heeft een gratis tool waarmee je de harmonische spanning berekent.

Figuur 1: Hoofdverdeelinrichting met gelijkstroommotor en lampen.

De verkorte levensduur van de lampen kan optreden bij extreme spanning op de lampen of door te grote stromen. Zowel de spanning op de hoofdverdeelinrichting is gemeten als de stroom naar de verdeelinrichting van de lampen. In figuur 2 is de stroom naar de lampen weergegeven.

Figuur 2: Stroom naar de lampen.

 

In deze figuur is al duidelijk te zien dat er grote pieken optreden in deze stroom. Dit heeft niets te maken met inschakelstromen van lampen want de lampen zijn continu ingeschakeld. De oorzaak van deze grote pieken ligt dus niet bij de lampen zelf. De pieken treden op bij veranderingen van de belasting van de gelijkstroommotor. Als de belasting verandert van lage naar hoge belasting (of omgekeerd) dan verandert kortstondig de stroom naar de motor met relatief hogere harmonische stromen, wat ook leidt tot afwijkingen in de spanning.

Figuur 3: Spanning op de verdeelinrichting en stromen naar de lampen.

 

Spanning

In figuur 3 is de spanning op de verdeelinrichting weergegeven van de motor in lage belasting, hoge belasting en gedurende de verandering van lage naar hoge belasting. Bij lage belasting is er sprake van een relatief schone spanning. Bij hoge belasting is de sinus vervormd, hetgeen ook bij de lampen tot een verhoogde stroom leidt (ondanks dat men zou verwachten dat bij hoge belasting de spanning iets lager zal zijn en dus ook de stroom naar de lampen lager). In de overgang van lage naar hoge belasting treedt er schijnbaar een lagere vervorming van de spanning op maar de spanningsvervorming leidt tot hogere harmonische spanningen waar de lampen (armaturen) gevoeliger voor zijn. De stromen tijdens deze overgang laten een hoogfrequente bijdrage zien met een grote amplitude. Dit komt enerzijds omdat er diverse hogere harmonische spanningen aanwezig zijn, anderzijds omdat de impedantie van de armaturen voor deze hogere frequenties lager is dan voor 50 Hz. De impedantiekarakteristiek van de armaturen is weergegeven in figuur 4.

 

Figuur 4: Impedantie van de armaturen afhankelijk van de frequentie.

In de volgende figuren zijn nog diverse resultaten van de metingen weergegeven. In figuur 5 is de stroom naar de lampen nogmaals weergegeven op een andere tijdschaal. Hier is af te lezen dat het overgangsverschijnsel van lage naar hoge belasting ongeveer 0,5 seconden duurt.

 

Figuur 5:

Afbeelding bovenaan: stroom naar de lamp

Afbeelding linksonder: THD(V)

Afbeelding rechtsonder: THD(I) gedurende belastingverandering.

 

Stroom stijgt

Gedurende de belastingverandering voor de gelijkstroommotor stijgt de stroom naar de lampen aanzienlijk. Dit is een gevolg van de harmonische spanningen. De THD (totale harmonische vervorming van de spanning) neemt toe tot een waarde van bijna zeven procent. Hierdoor stijgt de stroom en ook de THD(I) tot een waarde van bijna negentig procent. De vervorming in de stroom voor de belastingsverandering is circa twintig procent en is een gevolg van de eigenschappen van de lamp zelf. Dit is voor een groot deel 3e harmonische vandaar dat er door de nulgeleider van de kabel naar de lampen (ondanks een symmetrische belasting) ook al een stroom loopt van 60A.

De toename in de stroom tijdens de belastingsverandering komt door de vervorming in de spanning die in figuur 6 nog eens in detail is weergegeven voor de 1e (grondgolf), de 5e en de 29e harmonische spanning.

 

 

Figuur 6: Weergave van diverse harmonische spanningen tijdens belastingverandering.

De invloed van de spanning op de stroom naar de lampen is duidelijk te zien in de meetresultaten van de stromen. In figuur 7 zijn de verschillende componenten van de stroom weergegeven.

 

Figuur 7:  Stroomveranderingen tijdens overgang van laag naar hoge belasting.

Van boven naar beneden:

  • totale stroom naar lampen
  • 50 Hz- component in de stroom
  • 5e harmonische component in stroom.
  • 29e harmonische component in de stroom.

 

Alhoewel de 29e harmonische spanning veel lager is dan de 5e harmonische spanning is de 29e harmonische stroom toch groter. Dit komt doordat de impedantie van de armaturen voor deze hogere frequentie beduidend lager is.

 

Grote interactie

In de geschetste situatie is duidelijk waar te nemen dat er een grote interactie is tussen de diverse componenten in de installatie (de aandrijving en de lampen). Deze interactie verloopt via de spanning. Stromen van de aandrijving vervormen de spanning die vervolgens zorgt voor de hoge stromen naar de lampen. Het probleem kan het beste aangepakt worden door de harmonische stromen van de aandrijving te beperken. Dit zou kunnen gebeuren door het plaatsen van een passief filter voor de aansluiting van de aandrijving.

Een andere conclusie die getrokken kan worden is dat het meten van deze verschijnselen moet gebeuren met het beoordelen van de golfvormen of met gemiddelden met een zeer korte tijd (dus geen één of tien minuten gemiddelden of vijf seconden gemiddelden).

 

Lees ook:

NEN 1010 streng voor verlichtingsarmaturen

Woonhuisinstallaties: nu en in de toekomst

Reageer op dit artikel