Harmonische Dämpfung durch Phasenschiebertransformatoren und Harmonischenfilter

Wie unterdrücken Transformatoren und Oberwellenfilter Oberwellen?

Techniken zur Harmonischenminderung für Dreiphasenlasten

Dreiphasige Lasten erzeugen keine Dreifachharmonischen. Daher entstehen in Umgebungen, die von dreiphasigen Lasten dominiert werden, harmonische Probleme hauptsächlich durch Ströme bei der 5., 7., 17., 19. und höheren Harmonischen. Ein harmonischer Minderungstransformator (HMT) kann helfen, diese Harmonischen zu reduzieren, indem er doppelte Sekundärwicklungen oder mehrere Transformatoren mit einer Phasenverschiebung von 30° zwischen ihnen verwendet. Diese Phasenverschiebung stellt sicher, dass die harmonischen Komponenten einer Sekundärwicklung phasenverschoben zu denen einer anderen sind, was zu ihrer Aufhebung beiträgt.

Gemischte einphasige und dreiphasige Lastszenarien

Wenn ein Transformator sowohl einphasige als auch dreiphasige Lasten versorgt, ist ein kombinierter Ansatz erforderlich. Typischerweise werden Paare von Dreieck-Zickzack-Transformatoren mit einer Phasenverschiebung von 30° in einer separaten Transformatorbank verwendet. Diese Phasenverschiebung trägt dazu bei, die 5., 7., 17. und 19. Harmonische zu reduzieren, während die sekundären Zickzack-Wicklungen die Dreifachharmonischen deutlich reduzieren.

Spannungseinbrüche während des Startvorgangs können mit einem Netzqualitätsmessgerät überwacht werden.

Für eine optimale Leistung sollten einphasige, nichtlineare Lasten zwischen Phase und Neutralleiter über zwei Paneele ausgeglichen werden, die von zwei separaten HMTs versorgt werden. Ein HMT sollte ein Dreieck-Zickzack mit einer Phasenverschiebung von 0° sein, und der zweite HMT sollte entweder ein Dreieck-Stern- oder ein Stern-Zickzack-Transformator mit einer Phasenverschiebung von 30° sein. Die Verwendung dieser beiden Transformatoren hilft dabei, die 5., 7., 17. und 19. Harmonische zu eliminieren, und die Harmonischendämpfung ist effektiver, wenn die Lasten ausgeglichen sind.

Wenn beispielsweise ein Hauptstromverteiler einphasige nichtlineare Lasten mit einem Bedarf von 200 A versorgt, ist es besser, zwei separate Verteiler mit je 100 A zu verwenden. Zwei Transformatoren, einer in einer Dreieck-Zickzack-Konfiguration und der andere in einer Dreieck-Stern- oder Stern-Zickzack-Konfiguration, können verwendet werden, um diese Verteiler mit einer Phasenverschiebung von 30° zwischen ihnen zu versorgen. Die harmonischen Ströme von Computerlasten heben sich dann gegenseitig auf, was zu einem System führt, das Strom mit sehr geringer harmonischer Verzerrung (THD) zieht.

Um Oberwellen auszugleichen, werden Transformatorbänke mit einer Phasenverschiebung zwischen ihnen eingesetzt.

Überlegungen zur HMT-Impedanz

Die beiden HMTs sollten die gleichen Impedanzwerte haben, sich in der Nähe des Quellbusses befinden und ähnliche Lastharmonische-Profile aufweisen. Bei einer Zickzack-Sekundärwicklung ist die Impedanz geringer als die auf dem Typenschild angegebene Impedanz des Transformators. Bei einem Dreieck-Stern- oder Dreieck-Dreieck-Transformator entspricht die einphasige Impedanz der auf dem Typenschild angegebenen positiven und negativen Sequenzimpedanz.

Bei Dreieck- oder Stern-Zickzack-Transformatoren beträgt die Phasen-Neutralleiter-Impedanz etwa 75 % bis 85 % der positiven und negativen Systemimpedanz. Dies kann bei einem einphasigen Fehler zum Neutralleiter oder zur Erde zu einem höheren Fehlerstrom führen, sodass möglicherweise ein Überstromschutzgerät mit höherer Leistung erforderlich ist. Die auf dem Typenschild angegebene Impedanz stellt die positive/negative Systemimpedanz dar, sodass jeder Fehlerstrom mit etwa 133 % des berechneten Fehlerstroms angenommen werden sollte, was für die Koordination des Lichtbogenschutzes entscheidend ist.

Die einphasige Impedanz eines Zickzack-Transformators beträgt ungefähr 75 % bis 85 % seiner Nennimpedanz.

Harmonische Filter

Oberwellenfilter reduzieren Oberwellenanteile und THD. Einphasige Oberwellenfilter minimieren die dritte und andere dreifache Harmonische von nichtlinearen einphasigen Lasten. Dreiphasige Oberwellenfilter, auch als Fangfilter bekannt, reduzieren Oberwellen von einphasigen nichtlinearen Lasten in einem dreiphasigen System oder dreiphasigen Lasten wie AC-Motorantrieben mit variabler Drehzahl. Diese Filter sind normalerweise auf knapp unter die fünfte Harmonische abgestimmt und bieten einen Pfad mit niedriger Impedanz, der die fünfte und die meisten der siebten Harmonischen abfängt. Oberwellenfilter sollten so nah wie möglich an der nichtlinearen Last installiert werden, und bei dreiphasigen Antrieben werden sie normalerweise an der Serviceausrüstung installiert.

Arten von Oberwellenfiltern

Passive Oberwellenfilter

Passive Oberwellenfilter verwenden Kondensatoren und Induktoren, die darauf abgestimmt sind, bestimmte Oberwellenfrequenzen zu entfernen, und funktionieren wie Bandpass- oder Tiefpassfilter. Diese Filter lassen niedrige Frequenzen (60 Hz) passieren, während sie höhere Frequenzen (180 Hz und höher) entfernen. Sie können jedoch Probleme wie Klingeln, unerwünschte Resonanzen und Überkompensation verursachen. Einphasige Oberwellenquellen wie SMPSs erzeugen keine signifikanten Phasenverschiebungen zwischen Strom und Spannung, sodass passive Filter unbeabsichtigt dazu führen können, dass Schaltkreise von nacheilend auf voreilend umschalten. Darüber hinaus sind passive Filter oft groß und relativ teuer.

Ein passiver Oberwellenfilter verwendet eine Reihe von Widerständen, Kondensatoren und Induktoren, die darauf abgestimmt sind, harmonische Frequenzen zu entfernen.

Aktive Harmonischefilter

Aktive Oberwellenfilter verwenden Elektronik, um eine variable Impedanz bereitzustellen und so Oberwellen zu entfernen oder eine adaptive Stromwellenform zu erzeugen, die 180° phasenverschoben zu den Oberwellen ist. Obwohl sie traditionell teuer und weniger verfügbar sind, werden aktive Oberwellenfilter durch Fortschritte in der Elektronik zugänglicher und kostengünstiger.