Einführung
In diesem Blog werden in Echtzeit Techniken zur Harmonischenminderung in verschiedenen Anwendungen verglichen. Es werden verschiedene Aspekte aktiver und passiver Serien- und Shunt-Filter untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Reduzierung der Harmonischenbelastung in Antriebssystemen liegt. Es werden die Vor- und Nachteile paralleler und serieller Ansätze sowie aktiver und passiver Lösungen erörtert, ergänzt durch praktische Ergebnisse aus mehreren Fallstudien.
Um die Diskussionen in diesem Blog zu verstehen, ist es wichtig, die folgenden Konzepte zu verstehen: Oberschwingungen, Kerben, Spannungsverzerrung, Stromverzerrung und Spannungsunsymmetrie.
Oberschwingungen in Stromversorgungssystemen werden hauptsächlich durch halbleiterbasierte Lasten verursacht. Typische Beispiele sind transistorbasierte Frequenzumrichter und netzgeführte Gleichstromantriebssysteme. Oberschwingungen sind Vielfache der Grundfrequenz. So entspricht beispielsweise die 5. Harmonische in einem 50-Hz-System einer Frequenzkomponente von 250 Hz.
In einem vereinfachten Modell eines dreiphasigen Gleichrichters können die harmonischen Ordnungen auf der Wechselstromleitung wie folgt dargestellt werden, wenn der Gleichrichterausgang ein konstanter Gleichstrom ist:
Die Amplitude der Harmonischen hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter der Netzstärke und der Impedanz der Reihenleitung. Ein stärkeres Netz führt typischerweise zu höheren Stromharmonischen, aber niedrigeren Spannungsharmonischen.
Oberschwingungen können verschiedene Probleme verursachen, beispielsweise:
Um diese Probleme zu vermeiden, ist die Reduzierung der Oberwellenpegel wichtig, obwohl Oberwellen nicht immer zu derartigen Problemen führen.
Lösungen zur Oberschwingungskompensation können basierend auf zwei Faktoren in vier Klassen eingeteilt werden: ob die Lösung aktiv oder passiv ist und ob sie parallel oder in Reihe mit den linearen Lasten verwendet wird. Die folgenden Lösungen werden häufig verwendet:
Netzdrossel : Eine dreiphasige Reihendrossel, die vor dem Gleichrichter platziert wird, um die Stromverzerrung zu verringern und den Gleichrichter zu schützen. Sie ist jedoch für große Antriebe unpraktisch und kann die Oberschwingungsregulierung nicht allein erfüllen.
Serien-Oberwellenfilter : Eine erweiterte Version des Netzreaktors mit zusätzlichen Komponenten zum Abfangen von Oberwellen. Er bietet eine bessere Oberwellenunterdrückung, ist jedoch nicht flexibel und kann zu Problemen mit der Leistungsfaktorkorrektur führen.
Mehrpulstransformator : Verwendet phasenverschobene Wicklungen, um bestimmte harmonische Ordnungen zu eliminieren. Wirksam bei der Reduzierung harmonischer Verzerrungen, aber empfindlich gegenüber Spannungsunsymmetrie und Transformatorasymmetrie.
Passive Shunt-Filter, wie fein abgestimmte passive Filter, bieten eine Kompensation, indem sie auf die Störung und nicht auf die Gesamtlast ausgelegt werden. Diese Filter sind effektiv, reagieren jedoch empfindlich auf Netzbedingungen und können unvorhersehbar mit anderen Lasten interagieren.
Active Front-End (AFE)-Antriebe : Diese ersetzen Diodengleichrichter durch gesteuerte Gleichrichter, sodass beim Bremsen Energie ins Netz zurückgespeist werden kann. AFEs bieten geringe Stromverzerrung und einen hervorragenden Leistungsfaktor, sind jedoch komplex, teuer und groß.
Aktive Filter : Diese Filter werden parallel zur Last angeschlossen und messen und kompensieren fließende harmonische Ströme, indem sie gegenphasige Harmonische einspeisen. Sie sind kompakt, abstimmbar und können Blindleistungskompensation bieten. Aktive Filter sind effizient und einfach nachzurüsten, führen jedoch zu einigen Schaltwelligkeiten.
Bei einem 1000-A-Frequenzumrichter kann die erforderliche Oberwellenminderung je nach Systemimpedanz und äquivalenter Serienreaktanz variieren. In schwachen Netzen kann die Stromverzerrung geringer sein, in starken Netzen jedoch höher. Der Bedarf an Oberwellenminderung kann beispielsweise je nach Anwendung zwischen 150 und 330 A RMS liegen.
Verschiedene Lösungen zur Harmonischenminderung werden anhand von Leistung, Effizienz und praktischen Anwendungsergebnissen verglichen. Die folgende Tabelle fasst die Leistung und Effizienz verschiedener Lösungen zusammen:
Oberschwingungen sind in industriellen Anwendungen ein erhebliches Problem, insbesondere bei der zunehmenden Verwendung von Antrieben mit variabler Frequenz. Verschiedene Minderungstechniken, darunter passive und aktive Lösungen in Reihen- und Shunt-Konfigurationen, bieten unterschiedliche Vor- und Nachteile. Durch das Verständnis und die Umsetzung geeigneter Strategien zur Minderung von Oberschwingungen können Branchen die Effizienz verbessern, Ausfallzeiten reduzieren und die Gesamtsystemzuverlässigkeit erhöhen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Oberschwingungen zwar ein schwieriges Problem darstellen, ihre Auswirkungen auf den industriellen Betrieb jedoch durch einen umfassenden Ansatz zur Minderung wirksam eingedämmt werden können. Richtig ausgewählte, auf bestimmte Anwendungen zugeschnittene Lösungen können ein stabiles und effizientes Stromnetz gewährleisten und die negativen Auswirkungen von Oberschwingungen minimieren.
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