Harmonische Verschmutzung ist ein „Stromkiller“ in der Landwirtschaft

Harmonische Schadstoffe in der landwirtschaftlichen Produktion entstehen vor allem durch nichtlineare Lasten

I. Ursachenanalyse harmonischer Probleme in der Landwirtschaft

Die Antriebssysteme von Geräten wie Wasserpumpen und Pumpmaschinen:

1. Weit verbreiteter Einsatz von Frequenzumrichtern (VFDs/Wechselrichtern):

   • Kernausstattung der modernen Landwirtschaft: Um Wasserressourcen zu schonen, eine präzise Bewässerung zu erreichen und Energie zu sparen, setzt die moderne Landwirtschaft weithin auf Wasserpumpen und Pumpmaschinen mit variabler Frequenz . VFDs steuern Pumpengeschwindigkeit und -durchfluss präzise, indem sie die Frequenz und Spannung der Stromversorgung des Motors ändern.

   • Primäre harmonische Quelle: Der Gleichrichterkreis (AC-DC-Umwandlungsabschnitt) eines VFD ist nichtlinear. Er bezieht nicht sinusförmigen Strom aus dem Netz, was zu starken Verzerrungen der Stromwellenform und erheblichen Obertöne , besonders charakteristische Obertöne wie die 5., 7., 11. und 13. Bestellungen.

2. Einsatz von Sanftanlaufgeräten:

   • Einige Hochleistungspumpen verwenden Sanftanlaufgeräte, um den Einschaltstrom zu reduzieren, was jedoch auch zu einer gewissen Stromverzerrung und Oberwellenbildung führen kann.

3. Erscheinungsformen und Gefahren:

   • Überhitzung der Leitung und Brandgefahr: Harmonische Ströme können zu Stromstößen im Neutralleiter führen (dreifache Harmonische – 3., 9., 15. usw. – summieren sich im Neutralleiter), was zur Überhitzung von Kabeln und Transformatoren, beschleunigter Alterung der Isolierung und sogar zu Bränden führen kann.

   • Geräteschäden und verkürzte Lebensdauer: Harmonische Spannungen verursachen zusätzliches Drehmoment sowie Eisen- und Kupferverluste in Motoren (den Pumpen selbst), was zu anormaler Erwärmung, Vibrationen, Lärm und einer deutlich verkürzten Lebensdauer führt. Sie können auch den normalen Betrieb anderer empfindlicher landwirtschaftlicher Geräte (z. B. Umweltkontrollsysteme, Sensoren) stören.

   • Fehlfunktion des Schutzsystems: Oberschwingungen können dazu führen, dass Leistungsschalter oder Fehlerstromschutzschalter irrtümlicherweise auslösen, was zu unerwarteten Abschaltungen des Bewässerungssystems führen kann, die das Pflanzenwachstum beeinträchtigen.

   • Ungenaue Messung und erhöhte Kosten: Oberschwingungen können zu Fehlern bei der Strommessung führen und bei bestimmten Abrechnungsstrukturen möglicherweise die Stromkosten erhöhen.

   • Verschwendete Transformatorkapazität: Oberschwingungsströme verbrauchen Transformatorkapazität (erkennbar an einer erhöhten K-Faktor ), wodurch die tatsächlich verfügbare Wirkleistung reduziert wird und möglicherweise kostspielige Transformator-Upgrades erforderlich werden.

II. Leistungsvorteile von Aktive Leistungsfilter (APF)

Der Active Power Filter ist der fortschrittlichste und effektivste technologische Lösung zur Bewältigung dieser Art von Oberschwingungsproblemen. Sein Funktionsprinzip ist „Echtzeiterkennung, dynamische Kompensation“.

• Funktionsprinzip: Ein externer Stromwandler (CT) überwacht kontinuierlich den Laststrom. Ein digitaler Signalprozessor (DSP) trennt die harmonischen Stromkomponenten schnell. Anschließend erzeugt ein IGBT-Wechselrichter einen Kompensationsstrom, der gleich groß, aber entgegengesetzt in der Phase auf die erkannten Oberschwingungen und speist sie wieder ins Netz ein. Dadurch werden die von der Last erzeugten Oberschwingungen aufgehoben, was zu einem gleichmäßigen sinusförmigen Strom auf der Quellenseite führt.

Für landwirtschaftliche Anwendungen bieten APFs die folgenden beispiellosen Leistungsvorteile:

1. Dynamische Echtzeitkompensation:

   • Durch häufiges Anfahren, Anhalten und Drehzahländerungen von Pumpen entstehen Oberschwingungen dynamisch ändern APFs haben eine extrem schnelle Reaktionszeit (typischerweise <50 μs), sodass sie sich ändernde Harmonische in Echtzeit perfekt verfolgen und kompensieren können – eine Leistung, die für statische Lösungen wie Passive Filter (PPF) unmöglich ist.

2. Umfassendes Management mit mehreren Zielen:

   • Harmonische Dämpfung: Kann gleichzeitig filtern 2. bis 50. Ordnung und höher Oberschwingungen mit einer Kompensationsrate von über 97 %.

   • Blindleistungskompensation: Neben der Filterung von Oberwellen können APFs gleichzeitig kapazitive und induktive Blindleistung bereitstellen um einen schlechten Leistungsfaktor zu korrigieren. Dies ist entscheidend für induktive Lasten mit niedrigem Leistungsfaktor (wie Motoren), da dadurch „zwei Funktionen in einem Gerät“ erreicht werden und so Investitionen und Platz gespart werden.

   • Dreiphasiger Stromausgleich: Kann eine dreiphasige Unsymmetrie ausgleichen, die durch einphasige Lasten oder ungleichmäßigen Betrieb verursacht wird.

3. Hohe Zuverlässigkeit und Intelligenz:

   • Verfügt über Selbstdiagnose- und Schutzfunktionen, die das Risiko einer Resonanz mit dem System (ein inhärentes Risiko passiver Filter) vermeiden.

   • Die digitale Steuerung ermöglicht die Fernüberwachung von Oberschwingungsdaten, Gerätestatus und Stromqualitätsberichten über einen Touchscreen oder eine mobile App. Dies ist ideal für die zentrale Verwaltung geografisch verteilter landwirtschaftlicher Standorte.

III. Lösungen und Produktempfehlungen

1. Lösungsdesign

• Installationsmethode: Empfohlen zur Durchführung Zentralisierte Kompensation im Hauptverteiler, wo die Frequenzumrichter konzentriert sind, oder auf der Niederspannungsseite des Transformators Dieser Ansatz bietet das beste Preis-Leistungs-Verhältnis, sorgt für eine globale Oberwellenminderung und schützt das gesamte Stromverteilungssystem des Parks.

• Kapazitätsberechnung: Die Wahl des Nennkompensationsstroms (Ir) des APF ist entscheidend. Eine vereinfachte Berechnungsformel lautet:
  Ir = ∑ (VFD-Nennstrom × Stromverzerrungsrate THDi × Sicherheitsfaktor)

  • VFD-Nennstrom: Summieren Sie die Nennströme aller gleichzeitig betriebenen VFDs.

  • Stromverzerrungsrate (THDi): Bei Frequenzumrichtern ohne Eingangsdrosseln liegt der THDi-Wert typischerweise zwischen 30 % und 50 %. Verwenden Sie zur Schätzung 35 % bis 40 %.

  • Sicherheitsfaktor: Empfohlen werden 1,2 bis 1,3, um einen Spielraum für zukünftige Erweiterungen und unbekannte Oberwellen zu haben.

  • Beispiel: Auf einem Bauernhof sind fünf 30-kW-Pumpen-VFDs gleichzeitig in Betrieb, jeder mit einem Nennstrom von ca. 60 A. Der geschätzte Gesamt-THDi beträgt 40 %. Erforderliche APF-Kapazität ≈ 5 × 60 A × 40 % × 1,2 = 144A Wählen Sie einen 150-A- oder zwei 75-A-APFs parallel.

2. Wichtige Punkte für die Produktauswahlempfehlung

Für landwirtschaftliche Umgebungen sollte sich die APF-Auswahl auf Folgendes konzentrieren: Stabilität, Anpassungsfähigkeit an die Umgebung und Benutzerfreundlichkeit:

• Schutzart (IP-Code): In landwirtschaftlichen Umgebungen herrscht Staub, Feuchtigkeit und es können korrosive Gase freigesetzt werden (z. B. in der Viehzucht). Wählen Sie ein Produkt mit einer Schutzklasse von mindestens IP20 bei Installation in einem separaten Verteilerraum. Für rauere Umgebungen wählen Sie IP41 oder höher.

• Breites Temperaturdesign: In landwirtschaftlichen Elektroräumen kann es zu starken Temperaturschwankungen und fehlender Klimaanlage kommen. Stellen Sie sicher, dass der APF stabil in einem Umgebungstemperaturbereich von -25 °C bis +55 °C oder breiter.

• Kommunikationsschnittstellen: Standard RS485 Die Unterstützung des Modbus-RTU-Protokolls ist für die Integration in bestehende Smart-Monitoring- oder Energiemanagementsysteme von Farmen unerlässlich. Optionale 4G/WLAN-Module ermöglichen die Fernüberwachung über die Cloud.

• Marke und Service: Wählen Sie Marken mit bewährten Anwendungsfällen im Industrie-/Landwirtschaftssektor und stellen Sie zeitnahen technischen Support und Kundendienst sicher.

3. Erwarteter Nutzen

• Sicherheitsvorteile: Beseitigen Sie das Risiko einer Überhitzung von Kabeln und Transformatoren und verhindern Sie Brände und Stromausfälle durch Oberschwingungen.

• Wirtschaftliche Vorteile:

  • Verlängerte Lebensdauer der Ausrüstung: Schützen Sie Pumpenmotoren, Transformatoren und andere empfindliche Geräte und senken Sie so die Wartungs- und Austauschkosten.

  • Reduzierte Energieverluste: Oberschwingungs- und Blindströme erhöhen die Leitungsverluste. Ihre Reduzierung kann direkt 5 bis 15 Prozent der Stromkosten einsparen.

  • Vermeiden Sie Leistungseinbußen: Stellen Sie die Einhaltung des Leistungsfaktors sicher, um Strafzahlungen des Energieversorgers aufgrund eines schlechten Leistungsfaktors zu vermeiden.

  • Kapazität des Freigabetransformators: Nach der Schadensbegrenzung kann der Transformator mehr Last bewältigen, wodurch Investitionen in die Modernisierung hinausgezögert werden.

• Produktionsvorteile: Gewährleisten Sie den stabilen und kontinuierlichen Betrieb von Bewässerungs- und Umweltkontrollsystemen und sorgen Sie für eine zuverlässige Stromversorgung für stabile und hohe Erträge in der modernen Landwirtschaft. Für moderne Betriebe mit frequenzgeregelten Wasserpumpen und Pumpmaschinen ist die Oberschwingungsbelastung ein nicht zu ignorierender Leistungskiller. Der Active Power Filter (APF) mit seiner dynamischen, multifunktionalen, sicheren und effizienten Echtzeitleistung ist die optimale technische Lösung. Bei weiteren Fragen wenden Sie sich bitte an sales@yt-electric.com