Oberschwingungen in Wechselstromsystemen

I. Analyse harmonischer Quellen und Eigenschaften

Oberschwingungen in Wechselstromsystemen werden hauptsächlich durch ihre Kernkomponente erzeugt – Frequenzumrichter (VFDs/VSDs) – wird zum Antrieb von Kompressoren, Kühlwasserpumpen, Kühlturmlüftern usw. verwendet.

1. Hauptharmonische Quellen :

   • Zentrale Klimaanlagen : Große Kreisel- oder Schraubenkompressorantriebe mit VFDs sind die leistungsstärksten und primäre harmonische Quellen .

   • Pumpen & Lüfter : Kaltwasserpumpen, Kondensatorpumpen, Kühlturmlüfter und Lüfter in Luftbehandlungsgeräten (AHUs) verwenden üblicherweise eine variable Frequenzregelung.

   • Endgeräte : Einige Gebläsekonvektoren (FCUs) oder kleine Innengeräte verwenden ebenfalls die Wechselrichtertechnologie.

2. Harmonische Eigenschaften :

   • Charakteristische Harmonische : Die 6-Puls-Gleichrichterschaltung in VFDs erzeugt hauptsächlich Harmonische ungerader Ordnung wie 5., 7., 11., 13. , mit der 5. Harmonische ist normalerweise am auffälligsten.

   • Hohe Stromverzerrung : Die aktuelle Gesamtklirrfaktor (THDi) für einen einzelnen VFD kann typischerweise zwischen 30 % und 50 % liegen (ohne eingebaute Reaktoren).

   • Periodische Schwankungen : Harmonische Strompegel schwanken dynamisch bei Wechselstromlaständerungen (Temperatursollwerte, Umgebungstemperatur). Die Lasten sind tagsüber hoch (hohe Harmonische), nachts und an Feiertagen niedrig (niedrige Harmonische).

3. Gefahren und Auswirkungen (insbesondere für Krankenhäuser und Büros) :

   • Für medizinische Geräte (Krankenhäuser/Kliniken) : Medizinische Präzisionsgeräte (z. B. MRT, CT, DSA) reagieren äußerst empfindlich auf die Netzqualität. Oberschwingungen können zu Betriebsfehlern, Bildverzerrungen, Datenbeschädigungen oder sogar Hardwareschäden führen und so die Diagnosegenauigkeit und Patientensicherheit unmittelbar gefährden.

   • Für elektrische Systeme :

     • Neutrale Überlastung : Dreifache N-Harmonische (3., 9., 15. usw.) addieren sich im Neutralleiter, wodurch der Neutralleiterstrom möglicherweise den Phasenstrom übersteigt, was zu Überhitzung und Brandgefahr führt.

     • Überhitzung des Transformators : Harmonische Ströme erhöhen die Transformatorkern- und Kupferverluste (erhöhen den K-Faktor), reduzieren die Kapazität, verkürzen die Lebensdauer und erzwingen eine Leistungsreduzierung.

     • Fehlauslösung des Leistungsschalters : Verursacht unerwartete Abschaltungen von Klimaanlagen oder anderen kritischen Lasten.

   • Für Energieeffizienz : Oberschwingungen erhöhen die Leitungsverluste und verringern die Energiesparvorteile, die durch den Einsatz von VFDs erzielt werden, erheblich.

   • Für Kommunikationssysteme : Oberschwingungen können Gebäudeautomationssysteme (BAS) und Netzwerksysteme stören.

II. Zentralisierte Minderungslösung: Anwendung von Active Power Filters (APF)

Für dynamische, veränderliche Oberschwingungslasten wie AC-Systeme, die Aktiver Leistungsfilter (APF) ist eindeutig die optimale Lösung. Sein Prinzip der „Echtzeiterkennung, dynamische Kompensation“ passt perfekt zur schwankenden Natur der AC-Oberschwingungen.

Option 1: Zentralisierte Minderung auf der Niederspannungsseite des Transformators (am häufigsten, bestes Preis-Leistungs-Verhältnis)

• Standort : Installation für zentrale Kompensation am Hauptverteiler für Niederspannung im Hauptelektroraum des Gebäudes (normalerweise am Sekundärausgang des Transformators).

• Vorteile :

  1. Globale Schadensbegrenzung : Beseitigt in einem Schritt Oberschwingungen, die von allen Wechselstrom- und anderen Lasten erzeugt werden, die von diesem Transformator versorgt werden, und schützt so das gesamte Verteilungssystem.

  2. Kostengünstig : Die Installation eines APF mit großer Kapazität ist günstiger und einfacher zu verwalten und zu warten als die Installation mehrerer kleinerer Geräte, die über das gesamte Gebäude verteilt sind.

  3. Gibt Transformatorkapazität frei : Reduziert effektiv den K-Faktor des Transformators, sodass dieser wieder mit seiner Nennkapazität betrieben werden kann und kostspielige Investitionen in die Modernisierung hinausgezögert werden.

• Kapazitätsauswahl :

  • Erfordert eine statistische Schätzung des Nennstroms und des THDi für alle VFD-gesteuerten AC-Geräte.

  • Vereinfachte Formel : APF-Nennstrom (Ir) ≥ Transformator-Nennstrom × (20 % ~ 35 %) Für Szenarien mit außergewöhnlich hoher Wechselstromlast wird ein höherer Prozentsatz oder eine präzise Berechnung auf Grundlage professioneller Messungen der Stromqualität empfohlen.

Option 2: Hierarchische/zonale Minderung (für große, komplexe Gebäude)

• Standort : Installieren Sie APFs am AC-Host-Maschinenraum-Verteiler , Etagen-AC-Hauptverteiler , oder Zonenverteilungszentren .

• Anwendbare Szenarien :

  • Sehr große Gebäudekomplexe mit mehreren Elektroräumen.

  • Später wurden neue Klimaanlagen hinzugefügt, was Änderungen im Hauptelektroraum erschwerte.

  • Bedarf an gezieltem Schutz bestimmter Bereiche (z. B. Operationssäle, Etagen von Rechenzentren).

• Vorteile :

  1. Gezieltere Schadensbegrenzung mit präziseren Ergebnissen.

  2. Verhindert die Zirkulation von Oberwellen innerhalb des Verteilungssystems, wodurch die Verluste auf der Hauptleitung reduziert werden.

• Nachteil : Die Gesamtkosten können höher sein als bei einer zentralisierten Schadensbegrenzung.

Option 3: Hybridlösung (APF + passive Leistungsfilter PPF)

• Prinzip : Verwenden Sie kostengünstigere passive Leistungsfilter (PPF), um den Großteil der wichtigsten charakteristischen Oberwellen (wie 5., 7. ); verwenden Sie dann einen APF mit geringerer Kapazität, um verbleibende Harmonische ungerader Ordnung zu kompensieren und die Systemresonanz zu unterdrücken.

• Vorteil : Kann die Investitionskosten in bestimmten Szenarien optimieren.

• Nachteile : Komplexes Design, erfordert sorgfältige Vermeidung von Systemresonanzen mit PPFs, und PPFs können sich ändernde Harmonische nicht kompensieren. Im Allgemeinen nicht für hochkritische Krankenhausumgebungen empfohlen.

III. Wichtige Punkte für Produktauswahl und -design

1. Kapazitätsberechnung : Muss auf einem detaillierte Ladeliste oder ein professioneller Netzqualitätsmessbericht . Die Messungen sollten sich über mindestens eine Woche erstrecken, um Volllastzyklen sowohl an Arbeitstagen als auch an arbeitsfreien Tagen zu erfassen.

2. Leistungsanforderungen :

   • Reaktionsgeschwindigkeit : Je schneller, desto besser (<5 ms), um harmonische Transienten, die durch das Starten/Stoppen des Kompressors verursacht werden, schnell zu verfolgen.

   • Kompensationseffekt : Der THDi nach der Minderung sollte idealerweise innerhalb von 5% - 8% um Standards wie GB/T 14549-93 („Stromqualität – Oberschwingungen im öffentlichen Versorgungsnetz“) einzuhalten und sauberen Strom für medizinische Geräte bereitzustellen.

   • Multifunktionalität : Wählen Sie APFs, die kombinieren Oberschwingungsfilterung + Blindleistungskompensation + Dreiphasenstromausgleich für umfassende Leistungen.

3. Installation und Anschluss :

   • Empfohlen für die Verbindung parallel mit dem Netz, vor der Last oder dem Transformator, die eine Abschwächung erfordern.

   • Muss zur Gewährleistung der Sicherheit von professionellen Elektroingenieuren entworfen und installiert werden.

IV. Branchenspezifische Überlegungen und Empfehlungen

• Für Krankenhäuser/Kliniken (Höchste Priorität) :

  • Zuverlässigkeit an erster Stelle : Wählen Sie hochwertige APF-Marken mit ausgereifter Technologie und gutem Ruf. Eine kontinuierliche Stromversorgung ist für medizinische Einrichtungen lebenswichtig.

  • Gezielter Schutz : Neben der Abschwächung der Hauptelektrikräume wird dringend empfohlen, lokale Kompensations- oder Stromaufbereitungsgeräte nach dem dedizierte Verteilertafeln oder isolierte Stromversorgungssysteme für Radiologie (MRT, CT), Intensivstation und Operationssäle um „Power Clean Zones“ für wichtige medizinische Geräte zu schaffen.

  • Einhaltung : Die Schadensbegrenzungslösung muss den relevanten elektrischen Konstruktionsvorschriften für Gesundheitseinrichtungen entsprechen.

• Für Bürogebäude/Gewerbeimmobilien :

  • Kapitalrendite (ROI) : Betonen Sie neben der Lösung von Sicherheitsrisiken den erheblichen wirtschaftlichen Wert von Energieeinsparungen (reduzierte Transformator- und Leitungsverluste), verlängerte Lebensdauer der Ausrüstung , Und vermiedene Transformator-Upgrades durch harmonische Milderung hervorgerufen.

  • Green Building-Zertifizierung : Eine gute Stromqualität trägt zu Punkten für Zertifizierungen wie LEED und BREEAM bei.

Fazit und Handlungsempfehlungen

Für Krankenhäuser, Kliniken und Bürogebäude mit vielen Klimaanlagen, zentrale Installation von Aktive Leistungsfilter (APFs) auf der Niederspannungsseite des Transformators ist die bevorzugte und kostengünstigste Lösung zur Oberschwingungsdämpfung.

Empfohlene Schritte:

1. Überwachung und Bewertung : Beauftragen Sie ein professionelles Serviceteam für die Stromqualität, um mindestens 7 x 24 Stunden lang eine umfassende Überwachung der Stromqualität durchzuführen und einen detaillierten Diagnosebericht zu erstellen.

2. Lösungsdesign : Berechnen Sie anhand der Berichtsdaten genau die erforderliche APF-Kapazität und entwerfen Sie den optimalen Minderungspunkt und das optimale Minderungsschema (zentralisiert, hierarchisch oder hybrid).

3. Produktauswahl : Wählen Sie APF-Marken wie Yingtong Electric (sales@YT-electric.com) mit stabiler Leistung und zuverlässigem Kundendienst und stellen Sie sicher, dass ihre Umgebungsanpassungsfähigkeit (z. B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit) den Bedingungen im Elektroraum entspricht.

4. Professionelle Umsetzung : Lassen Sie die Installation, Inbetriebnahme und Überprüfung von einem erfahrenen Integrator durchführen, um sicherzustellen, dass die Minderungsergebnisse den Erwartungen entsprechen.

5. Langzeitüberwachung : Nutzen Sie die integrierten Überwachungsfunktionen des APF oder integrieren Sie es in das Gebäudemanagementsystem (BMS), um die Stromqualität kontinuierlich zu verfolgen und so langfristige Stabilität zu gewährleisten.