Impact of Variable Frequency Drive Harmonics on Network Power Losses

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-05-30

Department

Major/Subject

Elektroniikka ja sähkötekniikka

Mcode

ELEC3013

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

45

Series

Abstract

Supply network power losses account for a large portion of the global electricity generation. These losses are further increased by non-linear loads, such as variable frequency drives (VFD), which produce harmonics. As the use of VFDs is becoming more popular, harmonic related issues are becoming increasingly prominent. This thesis aims to investigate the impact of VFD harmonics on supply network power losses. More specifically, the work focuses on power losses caused by different rectifier topologies in the drive supply network in transformers and cables. This literature review is made based on analyzing existing literature. Only a few studies were found to specifically address VFD harmonics on supply network power losses. However, several related studies focusing on non-linear single-phase loads offered useful insights into transformer and cable losses under distortion. Findings indicated the overall RMS current increase due to harmonic distortion to be the main contributor to additional losses, while frequency-dependent phenomena were found to have less impact. Surprisingly, core losses were found to be unaffected by load variation and current harmonics. Studies suggested only a minor to negligible impact on core losses by voltage harmonics on the primary side of a transformer. Nevertheless, small compared to the impact of current harmonics in other supply network components. This review successfully identified the primary loss mechanisms in transformers and cables, along with key influencing factors. It also examined common rectifier topologies and their distinct harmonic content. Indicative estimates of VFD harmonic power losses at various THD levels were gathered. Six-pulse rectifiers were shown to cause significant increase in power losses, while active front-end (AFE) drives had a much smaller impact due to their low harmonic distortion. Multipulse rectifiers were found to fall in between these two in terms of additional losses. Based on these findings, this review can help identify the main factors influencing power losses in supply networks affected by VFD harmonics. It also offers comparative overview of common rectifier topologies and their harmonic profiles, to better recognize their distinct impacts. These insights can provide a basis for future work or measurements aimed at expanding research on VFD harmonics.

Syöttöverkkohäviöt muodostavat merkittävän osan maailman energiankulutuksesta. Epälineaariset kuormat, kuten taajuusmuuttajat, lisäävät näitä häviöitä tuottamalla yliaaltoja eli harmonisia, jotka aiheuttavat jännite- ja virtasignaalien säröytymistä. Taajuusmuuttajien ja muiden epälineaaristen kuormien yleistyessä harmonisten vaikutukset, kuten syöttöverkkohäviöt, ovat muodostuneet yhä merkittävämmiksi. Tämän työn tavoitteena on tutkia taajuusmuuttajien aiheuttamien harmonisten vaikutuksia syöttöverkon häviöihin. Erityisesti työ keskittyy arvioimaan taajuusmuuttajien aiheuttamien häviöiden kasvua muuntajissa ja syöttökaapeleissa eri tasasuuntaustopologioiden vaikutuksesta. Työ perustuu olemassa olevaan kirjallisuuteen. Aiheesta on saatavilla paljon hyvin dokumentoituja tutkimuksia, jotka käsittelevät erityisesti yksivaiheisia kuormia ja niiden aiheuttamia syöttöverkkohäviöitä. Nämä tutkimukset eivät kuitenkaan ole täysin sovellettavissa taajuusmuuttajiin, mutta tarjoavat olennaisia havaintoja aiheesta. Suoria tutkimuksia taajuusmuuttajien eri topologioiden aiheuttamista syöttöverkkohäviöistä on sen sijaan saatavilla vain muutamia. Olemassa olevan tutkimustiedon ja havaintojen perusteella voidaan kuitenkin vetää seuraavanlaisia suuntaa-antavia johtopäätöksiä. Yleisesti ottaen virran tehollisarvon kasvu harmonisten seurauksena on merkittävin tehohäviöitä kasvattava tekijä. Muut ilmiöt, kuten taajuusriippuvaiset virranahtoilmiö ja läheisyysvaikutus johtimissa, ovat suhteellisesti pienempiä. Yllättävästi kuitenkin havaittiin, että muuntajan sydänhäviöt eivät ole merkittävästi riippuvaisia kuormituksesta tai virtaharmonisista. Tutkimusten perusteella ainoastaan jänniteharmonisilla muuntajan ensiöpuolella on vähäinen vaikutus sydänhäviöihin. Yhtä kaikki, näiden vaikutukset ovat huomattavasti pienemmät suhteessa virtaharmonisten vaikutuksiin muissa syöttöverkon osissa. Tämä katsaus onnistui tunnistamaan merkittävimmät häviömekanismit ja niiden osatekijät. Työssä tarkasteltiin myös yleisimpiä tasasuuntausmenetelmiä ja niiden aiheuttamaa harmonista vääristymää. Kirjallisuuden perusteella pystytään antamaan suuntaa-antavia arvioita eri tasasuuntaustopologioiden aiheuttamista lisähäviöistä eri kokonaissärön arvoilla. Kuusipulssiset tasasuuntaussillat osoittautuivat tuottavan eniten virtasäröä ja näin ollen myös merkittävimmät lisähäviöt syöttöverkossa. Aktiivisten tasasuuntaajien vaikutus häviöiden kasvuun oli pieni, johtuen niiden vähäisestä kokonaissäröstä. Multipulssisillat sijoittuivat näiden kahden muun topologian väliin lisähäviöiden suhteen. Löytöjen perusteella tutkielma auttaa tunnistamaan merkittävimmät taajuusmuut tajan harmonisten vaikutuksesta aiheutuvat häviötekijät syöttöverkoissa, muuntajissa ja syöttökaapeleissa. Työ tarjoaa myös vertailun eri topologioiden ja niiden harmonisen sisällön välillä. Tästä on hyötyä topologioiden välisten eroavaisuuksien ja niiden vaikutusten ymmärtämisessä syöttöverkon häviöihin. Ennen kaikkea työ luo hyvän pohjan jatkotutkimukselle taajuusmuuttajien syöttöverkkohäviöistä.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Hinkkanen, Marko

Keywords

harmonics, power loss, supply network, variable frequency drive

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506104414

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC