Harmonisia säröjä ei voi estää, mutta niitä voidaan pyrkiä vähentämään sille tasolle, ettei niistä ole haittaa – ainakin teoriassa. Miten voidaan arvioida, ettei vähäinen harmonisen sä-rön määrä ole haitaksi elektronisille laitteistoille, jos laitteistoja ei tutkita niiden elinkaaren aikana?
Mittareiden ilmoittamiin tuloksiin ei voida sokeasti luottaa, jos ja kun laivan operoinnissa on tapahtunut muutoksia mittauksen jälkeen. Luokituslaitoksista etenkin Lloyd’s Register määrittelee, että harmoninen kokonaissärö tulisi mittauttaa uudestaan, jos jakelussa tai ku-luttajissa on muutoksia, mutta vain, jos käytössä on erilliset harmonisen särön suotimet. Sa-moin esimerkiksi DNV GL viittaa siihen, että jos käytössä on harmoniset suodinyksiköt (joi-hin ei lasketa taajuusmuuttajien sisäisiä), tulee harmonista kokonaissäröä monitoroida jatku-vasti.
Harmoninen kokonaissärö on suhteellinen suure, johon vaikuttaa oleellisesti laivassa kulla-kin hetkellä käytössä olevat kuluttajat. Tämän takia voidaan tehdä havainto, että lineaarisen kuorman käyttö vähentää harmonista kokonaissäröä, vaikka se ei mitenkään sitä erikseen edes poistaisi. Voidaan siis todeta, ettei THD tai TDD välttämättä ole soveltuvin laskutapa laivan elinkaaren harmonisen kokonaissärön analysointiin, koska laivan toiminta voi muut-tua kuluttajien osalta oleellisesti laivan käyttöaikana. Tarvitaan vain muutos kokonaiskuor-mitukseen, esimerkiksi tavallisten suorakäynnisteisten (DOL-starter) moottorien tai lämmi-tysvastusten pienempänä käyttönä, jolloin kokonaisvirrankulutus laskee niin, että harmoni-sen kokonaissärön määrä kasvaa.
Jotta voidaan todeta, ettei harmonisia säröjä ole liiaksi laivan sähköverkossa, analysoinnin tulisi olla jatkuvaa ja se tulisi tehdä laitteistoilla ja mittauksilla, jotka kykenevät havaitse-maan säröt tarkasti. Sahavaitse-maan viittaa IEEE 519 muuttaessaan suositustaan siten, että harmo-nisten mittaus tulisi tehdä vuoden pituisena jaksona.
On mahdollista, että laivan sähköverkossa on yliaaltoja – testit läpäisevistä mittaustuloksista huolimatta – joita ei ole havaittu ja jotka vaikuttavat laitteistojen toimintaan.
Laivojen sähköverkoissa on useita alati käynnistyviä ja sammuvia moottoreita, joiden kuor-mitus muuttuu jatkuvasti. Tämän lisäksi on harmonisen särön kannalta otollisia IGBT-poh-jaisia taajuusmuuttajia, joiden kytkentätaajuus muuttuu jatkuvasti. Edellä mainitut asiat ai-heuttavat interharmonista säröä.
Tässä tullaan tilanteeseen, jossa luokituslaitokset eivät vaadi jatkuvaa harmonisen kokonais-särön mittausta laivassa, jos käytössä ei ole erillisiä suotimia. Koska IGBT-pohjaiset taa-juusmuuttajat eivät tuota harmonista säröä suhteessa passiivisiin diodipohjaisiin, ei ulkoisia aktiivisuotimia yleisesti ottaen tarvita. Samalla kuitenkin IGBT-pohjaiset suotimet erityi-sesti tuottavat interharmonista säröä. Ongelma interharmonisen särön suhteen saattaa siis muodostua, jos laivaverkossa on paljon suuria IGBT-pohjaisia kuluttajia.
Ongelma interharmonisen särön suhteen on, ettei sitä välttämättä voida havaita mittareilla eikä sitä siten voi kompensoida esimerkiksi tietylle moninkerralle (taajuudelle) viritetyllä aktiivi- tai passiivisuotimella. Luokan ohjeistuksissa ei ole määritelty rajoituksia interhar-moniselle särölle, ja vaikuttaa siltä, että sen ajatellaan olevan osa harmonista kokonaissäröä.
THD:n arviointi perustuu myös tietyllä tavalla karkeaan RMS-arvoon, ja kun kyseessä on eristetty sähköverkko, jossa virtalähteet koko ajan käynnistyvät ja sulkeutuvat, on verkossa kytkentätaajuuksia niiden kerrannaisineen, joita ei ole osattu odottaa, analysoida tai mitata.
Kuten olen työssäni tuonut esille, harmonisen kokonaisärön jatkuva mittaus ei ole sinällään ongelma. Siihen on saatavilla paljon erilaisia vaihtoehtoja, ja katkaisijat voitaisiin suoraan ostaa niin, että ne sisältävät sähkönlaadun mitta-anturit. Myös jälkikäteen asennettavat an-turit ovat suhteellisen edullisia ja pieniä. Tuolloin kuitenkin olisi suotavaa, että mittarit ky-kenisivät siihen tarkkuuteen, jolla myös interharmoninen särö saadaan todennettua.
Asetin työssäni tavoitteeksi selvittää, mitä harmoninen särö on, kuinka sitä voidaan välttää ja kuinka sitä voidaan havaita. Tutkittuani eri lähteitä olen tullut siihen lopputulokseen, että edelleen ollaan alkutaipaleella sähkön laaduntarkastelussa: tiedetään, mitä harmoninen särö on, kuinka sitä voidaan välttää ja kuinka sitä mitataan. Lukuun ottamatta tilannetta, jossa käytössä on ulkopuoliset harmonisen särön suotimet, mittauksen ei tarvitse olla jatkuvaa eikä muutoksia laivan systeemeissä tai operoinnissa tarvitse ottaa huomioon. Myöskään harmo-nisen särön kustannuksia laivan elinkaaren aikana tai lisäkustannuksia sen kompensoinnista ei välttämättä aina oteta huomioon.
Myös mittaustapa ja sen analysointi herättävät pientä epävarmuutta, koska laskutapojen yh-tenäinen standardi puuttuu. Sähkönlaadun varmistamiseksi ei tällä hetkellä ole olemassa yhtä oikeaa laivan elinkaaren kattavaa analysointitapaa, varsinkin kun laivan sähköverkko uudistuu koko ajan.
Yleensä jokainen laivan turvallisuuteen kuuluva toimi vaatii sen jatkuvaa mittausta, ja vau-rion sattuessa vaaditaan jokin tapa estää vauvau-rion leviäminen. Jos tarkastellaan esimerkiksi laivan pilssipumppuja, niiden funktio on poistaa laivasta sinne tulevaa ylimääräistä vettä kaivoista. Näin estetään vedenpinnan nouseminen eli periaatteessa sen leviäminen. Tämän havainnointia varten laivoissa on erikseen pilssianturit. Lisäksi laivassa on vuotoanturit, jotka antavat ilmoituksen, jos vettä on noussut kansitasolle tai sitä ylemmäs. Laivassa on siis keinoja valvoa tilanteita (anturit) ja korjata ne (pumput). Tällä hetkellä luokituslaitoksien määritelmä ei vaadi korvaamaan vaurioituneita harmonisia suotimia, vaan vauriotilanteessa sallitaan vaurion leviäminen ja mahdollisesti yritetään rajata se. Lisäksi luokituslaitoksien vaatimukset harmonisen kokonaissärön mittaamisesta liittyvät lähinnä tilanteeseen, jossa käytössä on erilliset harmoniset suotimet. Huomioitava kuitenkin on, että luokituslaitoksien säännöissä on tapahtunut muutoksia koko ajan asian suhteen, ja vaikuttaa siltä, että tietoisuus harmonisesta säröstä ja sen riskeistä kasvaa.
Jos harmonisen särön osuus laivassa nousee, ei sen vähentämiseksi ole mitään järjestelmää, joka voitaisiin heti aktivoida, eikä harmonisen särön nousua välttämättä edes havaita. Ehkä jatkossa harmonisia säröjä tutkitaan koko spektrin laajuudelta laivan operoidessa ja
mahdollisesti useasta kohtaa sähköverkkoa, vaikka käytössä ei olisikaan ulkoisia harmoni-sen särön suotimia.
Lähteet
ABB. Technical guide No. 6, Guide to harmonics with AC drives, 3AFE64292714 REV C EN 11.5.2011 #15567. Luettu 14.9.2021. SaatavissaABB
ABB. 2012. Product introduction Azipod X02100 and X02300. Luettu 14.9.2021. Saatavissa lib-rary.e.abb.com
ABB. 2021. Azipod Electric propulsion. Luettu 14.9.2021. Saatavissanew.abb.com ABB. 2021. Variable speed shaft generator. Luettu 14.9.2021. Saatavissanew.abb.com Born, C. 2020. Comsys AB, Comsys ADF Academy.
Bureau Veritas. 2021. Rules for the Classification of Steel Ships – Part C – Machinery, Electricity, Automation and Fire Protection Chapter 2-3. Luettu 14.9.2021 Saatavissa marine.offshorebure-auveritas.com
Chattopadhyay, S., Mitra, M. & Sengupta, S. 2011. Electric Power Quality, Springer Sci-ence+Business Media B.V.
Chetram, S. 2016. Reducing harmonics caused by adjustable frequency drives, ABB. Luettu 14.9.2021. Saatavissaee.co.za
Circuit Globe. 2020. Luettu 14.9.2021. Saatavissacircuitglobe.com
Csanyi, E. 2012. Single-Phase Power vs Three-Phase Power. Luettu 14.9.2021. Saatavissa electri-cal-engineering-portal.com
Collins, D. 2016. FAQ: What is a pulse rectifier and what kinds are there? Viitattujen kuvien läh-teet: Emerson Industrial Automation & ABB. Luettu 14.9.2021. Saatavissamotioncontrotips.com Deltamarin-yrityksen aineisto koskien yksivirtapiirikaavioita, muokkaus Tomi Lahtinen.
DNV GL -luokituslaitos, Part 4 Systems and components Chapter 8 Electrical installations, DNVGL-RU-SHIP-Pt4Ch8. Luettu 14.9.2021. SaatavissaDNV-GL
Electronics Tutorials. 2020. Three Phase Transformers. Luettu 14.9.2021. Saatavissa electronics-tutorials.ws
Elspec. 2014. Understanding the IEEE 519 – 2014 standard for Harmonics. Luettu 14.9.2021. Saa-tavissaelspec-ltd.com
Engineering Recommendation G5/4-1. 2005. Energy Networks Association. Luettu 14.9.2021. Saa-tavissanienetworks.co.uk
Engineering Recommendation G5/5. 2020. Energy Networks Association. Luettu 14.9.2021. Saa-tavissadcode.org.uk
Faduyile, O. E. 2009. M.sc Thesis: Effect of harmonics on the efficiency of a three phase energy efficient and standard motors. Luettu 14.9.2021. Saatavissascholar.utc.edu
Fluke 1742/1746/1748 Power Quality Logger User Manual, 10-2016 Rev. 1 Fluke Corporation.
Luettu 14.9.2021. SaatavissaFluke.com
Glampe, M. 2017. VFD Switching Frequency, KEB Technology. Luettu 14.9.2021. Saatavissa ke-bamerica.com
Jayasinghe, S. G., Meegahapola, L., Fernando, N., Jin, Z. & Guerrero, J. M. 2017. Review of Ship Microgrids: System Architectures, Storage Technologies and Power Quality Aspects. Luettu 14.9.2021. Saatavissamdpi.com
Korpinen, L., Mikkola, M., Keikko, T. & Falck, E. 2008. Yliaalto-opus.
Kumar, D. & Zare, F. 2019. A Comprehensive Review of Maritime Microgrids: System Architec-tures, Energy Efficiency, Power Quality, and Regulations. Luettu 14.9.2021. Saatavissa ieeex-plore.ieee.org
Litrán, S. P., Vázquez, J. R., Revuelta, P. S. & Flores, J. L. 2005. Compensation of Voltage Unbal-ance and Current Harmonics with a Series Active Power Filter. Department of Electrical Engineer-ing Escuela Politécnica Superior, Universidad de Huelva. Luettu 14.9.2021. Saatavissa
re-cearchgate.com
Lloyd’s Register Rulefinder. 2021. Luettu 14.9.2021. SaatavissaLR.org
Marz, M. B. 2016. American Transmission Company. Minnesota University CPE Conference, Interharmonics: What They Are, Where They Come From and What They Do. Luettu 14.9.2021.
Saatavissaccaps.umn.edu
Mesta Electronics Inc. Application Decision Making: Active Harmonic Filters vs. Active Front Ends. Luettu 14.9.2021. Saatavissamesta.com
Mindykowski, J. 2014. Power quality on ships: today and tomorrow’s challenges. Luettu 14.9.2021. Saatavissaieeexplore.org
Mohamed, I. S., Zaid, S. A. & Abu-Elyazeed, M.F. 2017. Implementation of Model Predictive Control for Three Phase Inverter. Luettu 14.9.2021. Saatavissarecearchgate.net
Pejovskia, D., Najdenkoski, K. & Digalovski, M. 2017. Impact of different harmonic loads on dis-tribution transformers. Luettu 14.9.2021. Saatavissasciencedirect.com
Persson, J. 2014. Comparing Harmonics Mitigation Techniques. Comsys AB. Luettu 14.9.2021.
Saatavissacomsys.se
Pinyol, R. 2015. Harmonics: Causes, Effects and Minimization, SALICRU. Luettu 14.9.2021. Saa-tavissaSalicru.com
Rina Registro Italiano Navale. 2021. Rina Rules for the Classification of Ships. Part C Machinery Systems and Fire Protection. Luettu 14.9.2021. Saatavissarina.org
Russian Maritime Register of Shipping. 2016. Rules for the Classification and Construction of Sea-Going Ships, Part XI Electrical Equipment. Luettu 14.9.2021. Saatavissars-class.org
Schneider Electric. 2019. Masterpact UR 50-60 Catalog. Luettu 14.9.2021. Saatavissase.com Schneider Electric. PM3200 Power Meter Product Datasheet. Luettu 14.9.2021. Saatavissa se.com Shmilovitz, D. 2005. On the Definition of Total Harmonic Distortion and Its Effect on Measure-ment Interpretation. Luettu 14.9.2021. Saatavissaieexplore.ieee.org
Swamy, M. M. Understanding Input Harmonics and Techniques to Mitigate Them. Yaskawa Elect-ric AmeElect-rica. Viitattu 14.9.2021. Saatavissayaskawa.com
Swamy, M. M. 2005. Passive Techniques for Reducing Input Current Harmonics. Yaskawa Elec-tric America. Luettu 14.9.2021. Saatavissachemicalprocessing.com
Technical Data Fluke 438-II Power Quality and Motor Analyzer. Fluke Corporation. Luettu 14.9.2021. Saatavissafluke-direct.com
Voipio, E. 1990. Virtapiirit ja verkot 258. Espoo, Otakustantamo. ISBN 951-672-082-x
Wankhede, A. 202. Understanding Different Operational Modes Of Shaft Generator On Ships. Lu-ettu 14.9.2021. Saatavissamarineinsight.com
ZDDQ Electric - Overview of Active Power Filter. Luettu 14.9.2021. Saatavissazddqelectric.com ZDDQ. 2019. How to size Active Harmonic Filter from Power Analyser Data, Anhui Zhongdian Electric Co. Luettu 14.9.2021. Saatavissazddqelectric.com
Årdal, A. R., Skjong, E. & Molinas, M. 2015. Handling System Harmonic Propagation in a Diesel-Electric Ship with an Active Filter. Luettu 14.9.2021. Saatavissaieeexplore.ieee.org