Wie spart ein aktiver Oberwellenfilter (AHF) in der Hauptstromverteilungsleitung den Kraftstoffverbrauch von Generatoren?

Installieren eines Aktiver Oberwellenfilter (AHF) an der Hauptstromverteilungsleitung kann typischerweise den Kraftstoffverbrauch von Generatoren (insbesondere Dieselgeneratoren) senken.

Hier ist eine ausführliche Erklärung:

1. Wie Oberschwingungen den Kraftstoffverbrauch von Generatoren (insbesondere Dieselgeneratoren) erhöhen:

   • Zusätzliche Wärmeverluste: Harmonische Ströme, die durch die Stator- und Rotorwicklungen des Generators fließen, verursachen höhere Widerstandsverluste (I²R-Verluste) als der Grundstrom. Diese Verluste werden als Wärme abgeführt, was bedeutet, dass ein Teil der dem Generator zugeführten mechanischen Energie verschwendet wird.

   • Erhöhte Eisenverluste: Oberschwingungsspannungen führen zu erhöhten Hysterese- und Wirbelstromverlusten im Eisenkern des Generators.

   • Dämpferwicklungsverluste: In den Dämpferwicklungen des Rotors werden harmonische Ströme induziert, die zusätzliche Verluste und Wärme erzeugen.

   • Reduzierte Effizienz: All diese zusätzlichen Verluste führen dazu, dass die Gesamteffizienz der Umwandlung der mechanischen Energie aus der Dieselverbrennung in elektrische Energie sinkt. Um die gleiche Wirkleistung (kW) zu liefern, muss der Generator mehr Diesel verbrauchen, um diese Verluste auszugleichen.

   • Harmonische Drehmomentpulsationen: Harmonische Ströme, die mit dem Magnetfeld des Generators interagieren, erzeugen pulsierende Drehmomente mit Frequenzen, die ein Vielfaches der Grundfrequenz betragen. Dies belastet den Dieselmotor zusätzlich mechanisch und kann die Stabilität des Motorreglers beeinträchtigen. Um eine konstante Drehzahl (Frequenz) aufrechtzuerhalten, muss der Regler häufiger die Drosselklappe anpassen, was wiederum die Effizienz leicht verringern und möglicherweise zu einem erhöhten momentanen Kraftstoffverbrauch führen kann.

   • Erhöhter Scheinleistungsbedarf: Oberschwingungsströme erhöhen den Gesamtstrom (RMS) im System und damit den Scheinleistungsbedarf (kVA) des Generators. Generatoren (insbesondere Standby-Geräte) werden häufig in kVA angegeben. Übermäßige Oberschwingungsströme können dazu führen, dass ein Generator nahe oder über seiner Nennleistung (kVA) arbeitet, während er tatsächlich weniger nutzbare Wirkleistung (kW) abgibt. Dies ist nicht nur ineffizient, sondern kann auch zu Überlastschutzabschaltungen führen. Um ein Überschreiten der kVA-Grenzwerte zu vermeiden, muss manchmal die Wirkleistungslast reduziert werden, was auch bedeutet, dass der Dieselkraftstoff nicht effektiv genutzt wird.

2. So hilft ein aktiver Oberwellenfilter (AHF) beim Kraftstoffsparen:

   • Eliminiert Oberschwingungsströme: Die Hauptfunktion eines AHF besteht darin, harmonische Ströme in der Leitung zu erkennen und sofort einen Kompensationsstrom gleicher Stärke, aber entgegengesetzter Phase einzuspeisen. Dies führt dazu, dass die vorgeschaltete Quelle (in diesem Fall der Generator) einen nahezu sinusförmigen Strom empfängt.

   • Reduziert den Effektivstrom des Generators: Durch die Beseitigung harmonischer Ströme reduziert der AHF den gesamten Effektivstrom, der durch den Generator fließt, erheblich.

   • Reduziert Verluste: Die Reduzierung des Effektivstroms führt unmittelbar zu einer deutlichen Verringerung der I²R-Verluste in den Generatorwicklungen. Auch Eisenverluste und Dämpferwicklungsverluste werden reduziert.

   • Verbessert die Effizienz: Durch die Reduzierung der Verluste verbessert sich die Effizienz des Generators bei der Umwandlung der chemischen Energie des Diesels in nutzbare elektrische Energie (kW). Bei gleichem Wirkleistungsbedarf sinkt die benötigte mechanische Energiezufuhr zum Generator, wodurch die Belastung des Dieselmotors reduziert wird, was zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt.

   • Verringert den scheinbaren Leistungsbedarf: Durch die Eliminierung von Oberschwingungsströmen wird der Scheinleistungsbedarf des Generators besser an den Wirkleistungsbedarf der Last angepasst. Dadurch wird die Verschwendung von kVA-Kapazität durch Oberschwingungen vermieden, und der Generator kann mit einem optimaleren Leistungsfaktor arbeiten.

   • Mildert Drehmomentpulsationen: Durch die Reduzierung harmonischer Drehmomentpulsationen läuft der Dieselmotor ruhiger, der Regler wird entlastet und die Betriebseffizienz bleibt stabiler.

3. Wichtige Faktoren, die die Kraftstoffeinsparung beeinflussen:

   • Ursprünglicher harmonischer Verzerrungsgrad: Je höher die ursprüngliche Gesamtverzerrung des harmonischen Stroms (THDi), desto größer ist die Verlustreduzierung nach der Installation eines AHF und desto höher sind die potenziellen Kraftstoffeinsparungen. Bei niedrigen ursprünglichen Oberschwingungen wären die Kraftstoffeinsparungen vernachlässigbar.

   • Generatorlastfaktor: Je höher die Generatorlast, desto größer sind die absoluten Verluste durch Oberschwingungen und desto größer sind die absoluten Kraftstoffeinsparungen durch den AHF. Bei geringer Last kann selbst eine prozentuale Effizienzsteigerung zu einer geringeren absoluten Kraftstoffeinsparung führen.

   • Generatordesign und Oberwellentoleranz: Einige Generatoren (insbesondere moderne oder speziell konstruierte) vertragen Oberschwingungen besser und ihre Effizienz wird weniger beeinträchtigt. Ältere oder schlecht konstruierte Generatoren sind stärker betroffen.

   • AHF-Leistung und Vergütungswirksamkeit: Um eine optimale Oberwellenfilterung zu erreichen, muss der AHF richtig dimensioniert, installiert und konfiguriert sein. Je höher die Kompensationsrate, desto besser die Ergebnisse.

   • Eigene Verluste der AHF: Der AHF selbst verbraucht im Betrieb eine geringe Menge Wirkleistung (typischerweise 3–8 % seiner Nennkompensationsleistung). Dieser Verlust gleicht die Kraftstoffeinsparung geringfügig aus. Bei starken Oberschwingungen übersteigt die Verbesserung der Generatoreffizienz jedoch den Eigenverbrauch des AHF bei weitem.

Abschluss:

Ja, Installation eines aktiven Oberwellenfilters an der Hauptverteilungsleitung kann tatsächlich den Kraftstoffverbrauch für Generatoren (Dieselgeneratoren) senken Das Prinzip besteht darin, dass durch die Beseitigung der schädlichen Oberschwingungsströme, die durch den Generator fließen, die zusätzlichen internen Verluste (Kupferverluste, Eisenverluste usw.) reduziert werden, wodurch die Effizienz des Generators bei der Umwandlung von Diesel-chemischer Energie in nutzbare elektrische Energie verbessert wird. Das Endergebnis ist, dass bei gleichem Wirkleistungsbedarf der vom Dieselmotor benötigte mechanische Energieaufwand reduziert wird, was zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt.

Quantifizierung der Kraftstoffeinsparungen: Es ist schwierig, die genaue Menge an eingespartem Diesel zu verallgemeinern, da diese stark von den oben genannten Schlüsselfaktoren abhängt. In industriellen Szenarien mit starker Oberschwingungsbelastung (z. B. Fabriken mit umfangreichem Einsatz nichtlinearer Lasten wie Frequenzumrichtern und Gleichrichtern) können Kraftstoffeinsparungen im Bereich von 3% bis 8% oder sogar mehr für den Generator nach der Installation eines Hochleistungs-AHF ist möglich. Um eine genaue Schätzung zu erhalten, wird empfohlen, detaillierte Messungen und vergleichende Analysen der wichtigsten Parameter des Generators (Kraftstoffdurchflussrate am Eingang, Wirkleistung am Ausgang, Strom, Spannung, THDi, THDv usw.) unter identischen Lastbedingungen sowohl vor als auch nach der Installation des AHF durchzuführen.

Wenn Ihr Werk also ein erhebliches Oberschwingungsproblem hat und auf den Betrieb eines Dieselgenerators angewiesen ist (sei es als Hauptstromquelle oder als Backup), ist die Investition in einen aktiven Oberschwingungsfilter nicht nur eine Maßnahme zur Verbesserung der Stromqualität, zum Schutz der Geräte und zur Erhöhung der Systemzuverlässigkeit, sondern auch eine energiesparende Maßnahme mit wirtschaftlichem Nutzen, die die Betriebskosten (Dieselkosten) direkt senkt.