Verbessern Frequenzumrichter den Leistungsfaktor

Verbessern Frequenzumrichter den Leistungsfaktor? Verschiebe-Leistungsfaktor, wahrer Leistungsfaktor und Oberschwingungen erklärt

Frequenzumrichter (VFDs) werden oft als Geräte mit einem hohen Leistungsfaktor beschrieben. Das kann richtig und dennoch irreführend sein. Ein VFD weist möglicherweise nur eine geringe Phasenverschiebung auf, zieht jedoch einen gepulsten Eingangsstrom, wodurch Oberschwingungen erzeugt werden, die den wahren Leistungsfaktor verringern.

Das Ergebnis ist ein häufiger Widerspruch: Ein Messgerät zeigt einen cos φ nahe 1,00 an, während ein anderes einen niedrigeren Gesamtleistungsfaktor anzeigt. Beide messen möglicherweise korrekt – sie messen unterschiedliche Teile desselben elektrischen Verhaltens.

Was ändert sich, wenn ein Motor über einen Frequenzumrichter angeschlossen ist?

Ein direkt an das Netz angeschlossener Motor nimmt magnetisierenden Blindstrom auf. Sein Verschiebe-Leistungsfaktor kann bei Teillast schlecht sein, da er nach wie vor magnetischen Fluss benötigt, während er nur wenig mechanische Arbeit verrichtet.

Ein VFD gleichrichtet eingehenden Wechselstrom in einen Gleichstromzwischenkreis und erzeugt dann eine geregelte Spannung und Frequenz für den Motor. Das Versorgungsnetz sieht eher die Eingangsstufe des Umrichters als direkt den Phasenwinkel des Motors.

Dies kann den Verschiebe-Leistungsfaktor netzseitig verbessern, führt jedoch zu einem zweiten Problem: einem nichtlinearen Eingangsstrom.

Verschiebe-Leistungsfaktor im Vergleich zum wahren Leistungsfaktor

Verschiebe-Leistungsfaktor

Der Verschiebe-Leistungsfaktor, oft als cos φ dargestellt, beschreibt den Phasenwinkel zwischen Grundschwingung der Spannung und des Stroms. Kondensatorbänke korrigieren dieses Verhältnis, indem sie Blindleistung lokal bereitstellen.

Viele Standard-VFD-Gleichrichter ziehen ihren Grundschwingungsstrom weitgehend in Phase mit der Spannung, sodass der Verschiebe-Leistungsfaktor nahe eins erscheinen kann.

Verzerrungs-Leistungsfaktor

Der Verzerrungs-Leistungsfaktor beschreibt nichtsinusförmigen Strom. Ein herkömmlicher Sechs-Puls-Umrichter lädt seinen Gleichstromzwischenkreis während bestimmter Teile der Spannungskurve auf, wodurch Impulse und charakteristische Oberschwingungen erzeugt werden.

Selbst bei geringer Grundschwingungs-Phasenverschiebung enthält der Effektivstrom (RMS) Oberschwingungen, die keine entsprechende Nutzleistung liefern. Der Gesamtleistungsfaktor bleibt daher unter dem Verschiebungswert.

Wahrer Leistungsfaktor

Der wahre Leistungsfaktor ist die Wirkleistung in kW geteilt durch die Gesamtscheinleistung in kVA. Er berücksichtigt sowohl Verschiebung als auch Verzerrung. Bei begrenzter Spannungsverzerrung entspricht er in etwa dem Verschiebe-Leistungsfaktor multipliziert mit dem Verzerrungsfaktor.

Aus diesem Grund sollten „PF“, „cos φ“ und „DPF“ in einem Netzqualitätsbericht nicht als austauschbare Werte behandelt werden.

Was Ihnen die wichtigsten Messwerte verraten

Bestätigen Sie immer, welche Definition das Messgerät verwendet. Eine Anzeige, die nur mit „PF“ beschriftet ist, kann den wahren Leistungsfaktor, den Verschiebe-Leistungsfaktor oder einen vom Hersteller konfigurierten Wert ausgeben.

Verbessert die Installation eines VFD den Leistungsfaktor?

Er kann den Verschiebungs-Leistungsfaktor im Vergleich zu einem direkt angeschlossenen Motor verbessern, insbesondere bei Teillast. Dies garantiert jedoch keinen hohen echten Leistungsfaktor am Einspeisepunkt der Anlage.

Das tatsächliche Ergebnis hängt ab von:

• Der Eingangstopologie des VFD

• Ob er eine Netzdrossel oder eine DC-Drossel enthält

• Der Last und der Betriebsdrehzahl des Umrichters

• Der Anzahl und der Vielfalt der gleichzeitig betriebenen Umrichter

• Anderen nichtlinearen und induktiven Lasten

• Transformator- und Kabelimpedanz

• Oberschwingungsfiltern oder Active-Front-End-Technologie

Der energetische Nutzen eines VFD entsteht hauptsächlich dann, wenn die Drehzahlregelung die Prozessleistung verringert – zum Beispiel durch das Abbremsen einer Pumpe oder eines Lüfters –, und nicht allein durch die Änderung des Leistungsfaktors.

Warum kann der echte Leistungsfaktor bei geringer VFD-Last sinken?

Bei Teillast nehmen Wirkleistung und Grundschwingungsstrom ab, während der Eingangsstrom stark gepulst bleiben kann. Der THDi kann daher prozentual ansteigen.

Dies macht nicht jeden schwach ausgelasteten VFD zu einem schweren Problem. Die Ergebnisse an einem einzelnen Umrichter und am Verknüpfungspunkt können aufgrund von Lastvielfalt und Quellimpedanz unterschiedlich ausfallen.

Kann eine Kondensatorbank den VFD-Leistungsfaktor korrigieren?

Eine Kondensatorbank korrigiert den nacheilenden Verschiebungs-Leistungsfaktor; sie kompensiert keinen Oberschwingungsstrom. Wenn der VFD bereits einen hohen Verschiebungs-Leistungsfaktor aufweist, bringt hinzugefügte Kapazität möglicherweise nur geringen Nutzen und erzeugt bei Teillast einen voreilenden Leistungsfaktor.

Kondensatoren können mit Transformatoren und Kabeln Schwingkreise bilden und möglicherweise Oberschwingungen des Umrichters verstärken. Eine verdrosselte Bank begegnet einem Resonanzrisiko, ist jedoch kein aktives Oberschwingungsfilter.

Schließen Sie keine gewöhnlichen Leistungsfaktor-Korrekturkondensatoren zwischen einem VFD und seinem Motor an, es sei denn, der Umrichterhersteller genehmigt diese Anordnung ausdrücklich. Der VFD-Ausgang ist eine geschaltete Wellenform, und herkömmliche Korrekturmaßnahmen auf der Motorseite lassen sich nicht direkt auf den Umrichterbetrieb übertragen.

Eine APFC-Anlage kann für andere direkt angeschlossene induktive Lasten in der Anlage dennoch nützlich sein. Ihre Stromwandler-Position, das Ziel, die Stufengrößen und die Oberschwingungsverträglichkeit sollten unter Einbeziehung der VFD-Anzahl überprüft werden.

Wie sollte der VFD-Leistungsfaktor bewertet werden?

Erfassen Sie an einem definierten Punkt kW, kVA, kVAr, den echten Leistungsfaktor, den Verschiebungs-Leistungsfaktor, den THDi, den Spannungs-THD und das Oberschwingungsspektrum über die Minimal-, Normal- und Spitzenproduktion hinweg.

Ein hoher Verschiebungs-Leistungsfaktor bei niedrigerem echtem Leistungsfaktor weist auf Verzerrungen hin. Ein niedriger Verschiebungs-Leistungsfaktor und ein niedriger echter Leistungsfaktor zeigen an, dass auch Blindleistung vorhanden ist. Eine hohe Spannungsverzerrung erfordert Aufmerksamkeit hinsichtlich des Oberschwingungsstroms und der Netzimpedanz.

Was kann den echten Leistungsfaktor bei VFD-Lasten verbessern?

Zu den Optionen gehören Netzdrosseln, DC-Drosseln, passive oder aktive Oberschwingungsfilter, Mehrpulsanordnungen und Umrichter mit geringen Oberschwingungen. Die Auswahl hängt von der Belastung, der Netzstärke und dem geltenden Ziel ab.

Diese Technologien bieten keine identische Leistung. Vergleichen Sie sie mithilfe von Messungen und einer Oberschwingungsstudie, anstatt Ausrüstung nur anhand der Gesamtkilowattzahl des Umrichters auszuwählen. Ein aktives Oberschwingungsfilter kann mehrere Lasten zentral behandeln, während eine lösung auf Umrichterebene besser sein kann, wenn ein einzelner großer VFD die Verzerrung dominiert.

Häufig gestellte Fragen

Haben alle VFDs einen Leistungsfaktor nahe 1,00?

Nein. Viele haben einen hohen Verschiebungs-Leistungsfaktor, aber der echte Leistungsfaktor variiert je nach Eingangsdesign, Oberschwingungsstrom und Belastung. Überprüfen Sie die Herstellerdaten und Messungen vor Ort.

Warum zeigt das Messgerät einen cos φ von 0,99, aber einen Leistungsfaktor von 0,90 an?

Der erste Wert repräsentiert wahrscheinlich den Verschiebungs-Leistungsfaktor, während der zweite die Wellenformverzerrung einschließt. Oberschwingungsstrom verursacht diesen Unterschied.

Wird das Hinzufügen von Kondensatoren die VFD-Oberschwingungen reduzieren?

Nein. Standardkondensatoren kompensieren keinen Oberschwingungsstrom und können Resonanzen erzeugen. Verwenden Sie eine Lösung, die anhand des Oberschwingungsspektrums und der Netzimpedanz ausgewählt wurde.

Ist ein aktives Oberschwingungsfilter für VFDs immer erforderlich?

Nein. Die Wahl hängt von der gemessenen Verzerrung, der Lastvielfalt, der Netzstärke, den geltenden Grenzwerten und der bestehenden Umrichtertechnologie ab. Drosseln, passive Filter oder Umrichter mit geringen Oberschwingungen können in anderen Fällen geeignet sein.

Fazit

Ein VFD kann den Verschiebungs-Leistungsfaktor verbessern, während der Oberschwingungsstrom den echten Leistungsfaktor unter eins hält. Die alleinige Betrachtung von cos φ kann daher den zusätzlichen Effektivstrom verdecken, der durch Wellenformverzerrung erzeugt wird.

Bewerten Sie den echten Leistungsfaktor, den Verschiebungs-Leistungsfaktor, den THDi, kVAr und das Oberschwingungsspektrum gemeinsam. Kondensatorbanken können den verbleibenden induktiven Bedarf korrigieren, aber sie können die Oberschwingungsreduzierung nicht ersetzen und sollten nicht ohne eine Systemüberprüfung um Umrichter herum hinzugefügt werden.

YT Electric kann Ihr VFD-Lastprofil, die Leistungsfaktormessungen, das Oberschwingungsspektrum und bestehende Kondensatoranlagen bewerten, um eine geeignete Netzqualitätslösung zu empfehlen.