Vermogenselektronica op schepen

Door Frank Leferink

Het toenemende gebruik van vermogenselektronica voor energiezuinige verlichting, elektrische voortstuwing en variabele snelheidsaansturing op schepen en offshore olieplatforms resulteert in veel elektromagnetische compatibiliteitsproblemen (EMC), waaronder problemen met de voedingskwaliteit. Deze moderne belastingen verbruiken energie op een pulserende manier, wat compleet anders is dan de continue belastingen in de tijd dat men veel voedingssystemen ontwierpen.

Conventionele voedingssystemen waren bedoeld voor lineaire belastingen, met misschien een achterlopende stroom voor inductieve belastingen, of een voorlopende stroom voor capacitieve belastingen, resulterend in een afwijkende cos phi of arbeidsfactor (power factor, PF). Moderne elektronische belastingen verbruiken pulserende stromen, met een hoge topfactor (crestfactor), dat wil zeggen piekstroom met betrekking tot effectieve stroom, en indien continu, met een hoge totale harmonische vervorming van de stroom (THDi). Omdat het voedingssysteem op een schip een relatief hoge interne impedantie heeft, resulteert de THDi in een hoge totale harmonische vervorming van de spanningen (THDv). De gevolgen van harmonische spanning en/of stroomvervorming zijn:

• EMC-problemen met andere (gevoelige) elektronische apparatuur, zoals navigatie, communicatie, controle en automatisering, en afnemende nauwkeurigheid van meetapparatuur, die niet zijn ontworpen voor niet-sinusvormige voedingsspanning, en onterecht schakelen (trippen) van beschermende apparatuur, zoals automatische zekeringen, of onjuiste thermische relaisactivering,
• extra verwarmingsverliezen in elektrische machines en kabelbedrading, leidend tot vroegtijdige veroudering van de apparatuur als gevolg van oververhitting, of tot extra koelingsvereisten,
• excitatie van resonantieverschijnselen als gevolg van significante overspanningen en/of overstromen,
• het veroorzaken van mechanische trillingen, mechanische spanningen en geluid(overlast) als gevolg van de hogere harmonischen,
• verzwaring van het energievoorzieningssysteem om het grote blindvermogen te compenseren *.

De hoge interne impedantie van het voedingssysteem resulteert ook in een spanningsval (voltage dip) als gevolg van het stroomverbruik van de gepulste stroom. Spanningsdalingen zijn verantwoordelijk voor veel EMC-problemen zoals het onterecht uitschakelen van computers, falende snelheidsregelaars, interferentie in elektronische apparatuur en procescontroleapparatuur. De meest voorkomende laagfrequente EMC verschijnselen zijn getoond in figuur 1.

Harmonische vervorming

Veel normen behandelen harmonische vervorming als een probleem met de spanningskwaliteit, omdat je de spanning direct kunt meten en het voedingssysteem die zo mogelijk corrigeert.

Het is echter de stroom, veroorzaakt door de verschillende belastingen, die de bron is van de vervorming. Maar deze stroom is vaak moeilijker te meten en te controleren, terwijl deze toch de meeste aandacht behoeft. De focus moet daarbij liggen op die gebruikers met een aanzienlijke vermogensvraag ten opzichte van de totale elektrische systeemcapaciteit.

Alle marine-classificatie-bureaus maken zich grote zorgen over harmonische spanningsvervorming en de mogelijke gevolgen als een kritiek onderdeel van de apparatuur defect raakt of faalt. Omdat men spanningsvervorming vaak beschouwt als een potentiële SOLAS-kwestie (Safety of Life At Sea), hebben classificatiebureaus strikte beperkingen opgelegd aan de omvang van harmonische spanningsvervorming die is toegestaan op vaartuigen die volgens hun regels zijn geclassificeerd, vaak op basis van internationale normen.

Storing via de voedingskabels

Ook in consumenten- en industriële omgevingen neemt men een snel toenemend aantal ernstige EMC-problemen waar als gevolg van uitgevoerde interferentie-effecten. Vooral in het frequentiebereik 2-150 kHz, waar slechts een paar standaarden voor bestaan en men er bijna geen eisen voor in acht neemt. De klachtendatabase van de NTT laat zien dat de meerderheid van de klachten tussen DC en 150 kHz ligt, zoals weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Aantal storingsklachten afgezet tegen de frequentie van die storing, zoals gemeld in de NTT Customer Complaint Database.

Figuur3 Lijnspanning zonder en met het aandrijfsysteem, 400V 50Hz. (Bron: Kees Post)

In figuur 3 zie je een typische storing, gemeten in het tijdsdomein en veroorzaakt door een aandrijfsysteem. De geleide emissie overschreed de grenzen van EN 55011 van 150 kHz met tientallen dB, tot aan 30 MHz. 

Hoewel aandrijfsystemen een veelvoorkomende oorzaak van EMC-problemen zijn, veroorzaakt ook een groot aantal kleine belastingen problemen. Binnen een periode van 27 maanden hadden twintig ziekenhuizen in Nederland problemen met de noodgeneratoren. Uit uitvoerig onderzoek is gebleken dat de problemen werden veroorzaakt door het toenemende aantal moderne niet-lineaire apparaten. Dit soort apparatuur heeft een hoge topfactor en vereist een hoge inschakelstroom als gevolg van de aanvankelijke laadstroom voor condensatoren. Deze inschakelstroom lijkt op een kortsluiting en resulteerde er in dat noodgeneratoren onmiddellijk werden uitgeschakeld nadat de stroom naar de apparatuur werd ingeschakeld.

De verplichte noodgeneratorproeven gebeuren nu alleen nadat de elektronische apparatuur handmatig is uitgeschakeld. Niet echt een vertrouwenwekkende situatie voor het geval het ziekenhuis in vol bedrijf te maken krijgt met stroomuitval.

Een nieuw energiezuinig gebouw op de campus van de Universiteit Twente, zonder conventionele lineaire belastingen maar met veel niet-lineaire elektronische apparatuur, resulteerde in een spanningsgolfvormvervorming op wandcontactdoosniveau, zoals weergegeven in figuur 4.

Figuur 4. Hoge harmonische vervorming in het nieuwe gebouw Carré op de Universiteit Twente.

Als gevolg van deze hoge harmonische vervorming raakten transformatoren oververhit en ontstonden er EMC-problemen. Het voedingssysteem is ontworpen met behulp van de conventionele aannames van gelijktijdigheidsfactor, cos phi en lineaire belastingen. De eenvoudigste, maar kostbare, oplossing was om twee extra transformatoren van elk 1,6 MVA te installeren. Nu is het totale schijnbare vermogen 7,2 MVA, terwijl het bij voltooiing van het gebouw 4,0 MVA was. Het echte stroomverbruik is nog steeds ongeveer 3,0 MW.

Oplossingen

De meest kosteneffectieve manier om EMC, inclusief spanningskwaliteit (Power Quality, PQ), problemen te voorkomen is om maatregelen al in het ontwerp mee te nemen, dat wil zeggen apparatuur te gebruiken met

• arbeidsfactor (PF) in de buurt van 1,
• lage totale harmonische vervorming van de stroom (THDi), en
• het nemen van de juiste EMC-maatregelen zoals filters en afgeschermde kabels.

De arbeidsfactor moet zo dicht mogelijk bij één liggen, waarbij de stroomgolfvorm evenredig is met de spanningsgolfvorm. Wanneer dit het geval is, zijn de spanning en stroom in fase en is het reactieve stroomverbruik nul, waardoor generatoren, transformatoren en bekabeling efficiënt stroom kunnen leveren. Met andere woorden, alle energie die door de bron wordt geleverd, wordt verbruikt door de belasting en er wordt niets teruggestuurd naar de bron.

De totale harmonische vervorming van de stroom van alle apparaten moet zo klein mogelijk zijn, zodat de spanning op het niveau van het schip binnen de grenzen blijft: 5% tot 8%, afhankelijk van het classificatiebureau.

Je kunt de THDi van de stroom op apparatuur niveau minimaliseren door bijvoorbeeld actieve voorschakelapparaten (active front end) te kiezen die stroom op een sinusvormige wijze verbruiken.

Een actief voorschakelapparaat is, vanuit een oogpunt van de elektronische schakeling, een gespiegeld aandrijfsysteem; in plaats van DC- naar AC-spanning om te zetten, converteert het AC- naar DC-spanning. En dus heeft het ook een EMC-filter nodig om de hoogfrequente elektromagnetische interferentie (EMI) te beperken. Een iets eenvoudiger oplossing om de THDi te verlagen, maar ook een met minder prestaties, is het gebruik van een 12- of 24-punts transformator. Je kunt ook lijnspoelen gebruiken om de THDi te verlagen, maar zowel transformatoren als lijnspoelen verhogen het gewicht en de verliezen. Als alles faalt en de THDv op het schip te hoog is dan kun je harmonische filters toevoegen. Dit is een heel gebruikelijke, maar kostbare maatregel, aangezien dit alleen mogelijk is in de laatste fase van de volledige scheepsinstallatietest. Het kan echter de installatie van extra generatoren besparen die nodig zijn voor systemen met een hoge THDv.

De juiste EMC-maatregelen moet je in de apparatuur implementeren voordat ze aan boord worden geïnstalleerd. Ofwel door het volgen van de op regels gebaseerde benadering met behulp van EMC-normen, of door gebruik te maken van een risico analyse, zoals vermeld in het Lloyd’s Register*.  

De implementatie van deze maatregelen kan aanzienlijke kostenbesparingen opleveren, zoals het wegnemen van een verminderde energievraag, lagere bedrijfstemperaturen van elektrische apparatuur en verhoging van de levensduur van de elektrische apparatuur, en het elimineren van het risico van elektromagnetische interferentie.

Conclusie

Geleide interferentie, inclusief de stroomkwaliteit, wordt steeds belangrijker vanwege de sterke toename van niet-lineaire belastingen. Nieuwe technologieën zullen nieuwe soorten interferentie introduceren. Vanwege het ontbreken van (interesse en) standaarden was de frequentieband 2-150 kHz de ‘vuilnisbak’ voor vermogenselektronica. Steeds meer storingsproblemen doen zich voor in het 2-150 kHz bereik en vertragen de ingebruikname van schepen.