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Wie man Oberschwingungsverzerrungen in VFD-Systemen reduziert
Frequenzumrichter (VFDs) helfen Fabriken dabei, die Motordrehzahl zu steuern und den Energieverbrauch zu senken. Sie können jedoch auch Oberschwingungsverzerrungen in das Stromnetz einbringen. Wenn mehrere Antriebe zusammenarbeiten, können diese Oberschwingungen die Transformatorerwärmung erhöhen, Kabel überlasten und empfindliche Geräte beeinträchtigen.
Die Reduzierung von Oberschwingungsverzerrungen in VFDs beginnt damit zu verstehen, wie Antriebe Oberschwingungen erzeugen, die tatsächliche Verzerrung zu messen und die richtige Filtermethode auszuwählen. Dieser Leitfaden erläutert die Ursachen, Risiken und praktischen Lösungen für industrielle Energiesysteme.
Die meisten Standard-VFDs verwenden einen Gleichrichter, um eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Ein Wechselrichter wandelt die Gleichspannung dann in Wechselstrom mit variabler Frequenz um, um den Motor zu steuern.
Das Problem beginnt am Gleichrichter. Ein typischer Sechs-Puls-VFD nimmt Strom in kurzen Impulsen anstelle einer glatten Sinuswelle auf. Dies erzeugt Oberschwingungsströme, die in die Stromversorgung zurückfließen.
Die am häufigsten von Sechs-Puls-Antrieben erzeugten Oberschwingungen sind die 5., 7., 11. und 13. Ordnung. Ihre Größe hängt vom Antriebsdesign, der Netzimpedanz und den Betriebsbedingungen ab.
Wenn mehr VFDs installiert werden, kann der kombinierte Oberschwingungsstrom zu einem ernsthaften Problem der Netzqualität werden.
Oberschwingungsverzerrungen betreffen mehr als nur die Antriebe selbst. Sie können die elektrischen Verluste erhöhen und Geräte, die an dasselbe Netz angeschlossen sind, zusätzlich belasten.
Häufige Probleme sind:
Transformatorüberhitzung: Oberschwingungsströme erhöhen die Wicklungs- und Streuverluste.
Ausfälle von Kondensatorbänken: Oberschwingungen können übermäßigen Strom verursachen, insbesondere in der Nähe von Resonanzbedingungen.
Kabelerwärmung: Ein höherer Effektivstrom (RMS) erhöht die Leiterverluste.
Leistungsschalterauslösungen: Verzerrte Ströme können zu Schutzproblemen beitragen.
Spannungsverzerrung: Oberschwingungsströme, die durch die Systemimpedanz fließen, verzerren die Versorgungsspannung.
Diese Effekte hängen von den Oberschwingungspegeln und der Auslegung des elektrischen Systems ab. Ein hoher THDi-Messwert bedeutet nicht automatisch eine Beschädigung der Ausrüstung, signalisiert jedoch die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen.
Vor der Installation eines Filters sollten Ingenieure die Oberschwingungsverzerrung mit einem Netzqualitätsanalysator messen.
Das Analysegerät sollte den Grundstrom, die einzelnen Oberschwingungsströme, die totale harmonische Verzerrung und die Spannungsverzerrung aufzeichnen. Die Messungen sollten den normalen Produktions- und den Spitzenbetriebszustand abdecken.
Zwei wichtige Werte sind:
THDi: Oberschwingungsgehalt des Stroms (Total Harmonic Distortion), ausgedrückt als Prozentsatz des Grundschwingungsstroms.
THDv: Oberschwingungsgehalt der Spannung (Total Harmonic Distortion), ausgedrückt als Prozentsatz der Grundschwingungsspannung.
Beispielsweise führt ein VFD-Zuleitungskabel mit 200 A Grundschwingungsstrom und 35 % THDi etwa 70 A an kombiniertem Oberschwingungsstrom.
Diese Messung hilft Ingenieuren dabei, den erforderlichen Kompensationsbedarf zu ermitteln.
Verschiedene Technologien können Oberschwingungsverzerrungen reduzieren. Die beste Wahl hängt von der Anzahl der Antriebe, deren Betriebsmustern und den geforderten Oberschwingungsgrenzwerten ab.
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Lösung |
Funktionsweise |
Beste Anwendung |
|---|---|---|
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Netzdrossel |
Fügt Impedanz hinzu, um Stromspitzen zu reduzieren |
Einzelne VFDs |
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DC-Zwinkerkreisdrossel |
Glättet den Strom im DC-Kreis |
Antriebe mit kompatiblem Design |
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Passiver Oberschwingungsfilter |
Verwendet abgestimmte elektrische Komponenten zur Reduzierung ausgewählter Oberschwingungen |
Relativ stabile Lasten |
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Speist kompensierenden Oberschwingungsstrom ein |
Mehrere Frequenzumrichter und sich ändernde Lasten |
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Oberwellenarme oder Active-Front-End-Antriebe |
Verwendet eine verbesserte Eingangsstufe zur Reduzierung von Oberschwingungen |
Neue Installationen mit strengen Grenzwerten |
AC-Netzdrosseln gehören zu den einfachsten Möglichkeiten, Oberschwingungsverzerrungen in Frequenzumrichtern zu reduzieren.
Sie begrenzen die steilen Stromimpulse, die vom Gleichrichter gezogen werden. Eine häufig verwendete Drosselimpedanz liegt bei etwa 3 %, obwohl der richtige Wert vom Antrieb und System abhängt.
Netzdrosseln reduzieren den Oberschwingungsstrom, eliminieren ihn jedoch nicht. Sie sind oft geeignet, wenn eine moderate Reduzierung der Oberschwingungen ausreicht.
Zwischenkreisdrosseln helfen, den Strom im Inneren des Frequenzumrichters zu glätten.
Sie können die Eingangsoberschwingungsverzerrung reduzieren, ohne dass ein separater externer Filter erforderlich ist. Ihre Wirksamkeit hängt jedoch vom Antriebsdesign und den Betriebsbedingungen ab.
Nicht jeder Frequenzumrichter unterstützt eine externe DC-Drossel, daher muss die Kompatibilität überprüft werden.
Passive Filter verwenden Induktivitäten und Kondensatoren, um ausgewählte Oberschwingungsfrequenzen zu reduzieren.
Sie können eine wirksame Reduzierung der Oberschwingungen bieten, wenn die Lasten relativ stabil bleiben. Ihre Leistung hängt jedoch von der Systemimpedanz und den Betriebsbedingungen ab.
Ingenieure müssen vor der Installation passiver Filter auch Resonanzrisiken berücksichtigen.
Ein aktiver Oberschwingungsfilter misst den Oberschwingungsstrom und speist einen Gegenstrom ein, um die Verzerrung zu kompensieren.
Im Gegensatz zu passiven Filtern kann ein AHF seine Ausgabe anpassen, wenn sich die Last des Frequenzumrichters ändert. Dies macht ihn nützlich für Fabriken mit mehreren Antrieben, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben werden.
Ein richtig dimensionierter AHF kann Oberschwingungsverzerrungen erheblich reduzieren. Das Endergebnis hängt jedoch vom Oberschwingungsspektrum, der verfügbaren Filterkapazität und den Installationsbedingungen ab.
Für Neuinstallationen bieten oberwellenarme Frequenzumrichter oder Active-Front-End-Antriebe möglicherweise eine weitere Lösung.
Diese Antriebe verwenden Eingangstechnologien, die darauf ausgelegt sind, den Oberschwingungsstrom zu reduzieren. Sie können dort effektiv sein, wo eine strenge Oberschwingungsleistung erforderlich ist.
Ihre höheren Anschaffungskosten sollten jedoch mit externen Filterlösungen verglichen werden.
Die korrekte Filterdimensionierung beginnt mit dem gemessenen Oberschwingungsstrom, nicht allein mit der Motorleistung.
Die grundlegende Berechnung lautet:
Wobei:
\(I_H\) = Gesamtoberschwingungsstrom
\(I_1\) = Grundschwingungsstrom
THDi = prozentuale Strom-Oberschwingungsverzerrung
Betrachten Sie eine Fertigungsanlage mit einem Grundschwingungs-Zuführungsstrom von 400 A und einem gemessenen THDi von 30 %.
Der Oberschwingungsstrom ist:
Das System führt daher ungefähr 120 A an kombiniertem Oberschwingungsstrom.
Ein Filter mit einer Nennleistung von etwa 120 A könnte diesen Strom unter den gemessenen Bedingungen theoretisch kompensieren. Die endgültige Auswahl muss jedoch die Zielverzerrung, das Oberschwingungsspektrum, die Spitzenlast und zukünftige Erweiterungen berücksichtigen.
Für eine genaue Dimensionierung sollten Ingenieure die Kompensationsspezifikationen des Herstellers und die vollständigen Messungen der Stromqualität überprüfen.
IEEE 519 bietet empfohlene Grenzwerte für Oberschwingungsverzerrungen am Punkt der gemeinsamen Einspeisung (PCC).
Ein häufige Fehler ist die Annahme, dass jeder Frequenzumrichter weniger als 5 % THDi erreichen muss.
In der Realität bewertet IEEE 519 die Stromverzerrung mithilfe der Total Demand Distortion (TDD). Die anwendbaren Grenzwerte hängen vom Verhältnis zwischen dem verfügbaren Kurzschlussstrom und dem maximalen Laststrom am PCC ab.
Grenzwerte für Spannungsverzerrungen werden ebenfalls berücksichtigt.
Daher erfordert das Erreichen der IEEE-519-Konformität Messungen am richtigen Ort und nicht einfach die Überprüfung des auf einem Frequenzumrichter angezeigten THDi.
Mehrere Fehler können die Wirksamkeit eines Projekts zur Oberschwingungsreduzierung verringern.
Der erste Fehler besteht darin, einen Filter nur anhand des Nennstroms des Frequenzumrichters auszuwählen. Der Oberschwingungsstrom ändert sich mit der Antriebsbelastung und dem Eingangsdesign.
Ein weiterer Fehler ist das Messen der Verzerrung, während die Produktion mit geringer Kapazität läuft. Die Ergebnisse spiegeln möglicherweise nicht die Spitzenbetriebsbedingungen wider.
Ingenieure sollten auch die Installation von Kondensatorbänken ohne Überprüfung der harmonischen Resonanz vermeiden. Kondensatoren können mit der Netzinduktivität interagieren und bestimmte Oberschwingungsströme verstärken.
Schließlich kann die Installation eines aktiven Oberschwingungsfilters an der falschen Stelle Teile des elektrischen Netzes unerwünschten Oberschwingungsströmen aussetzen.
Standardmäßige Sechs-Puls-Frequenzumrichter erzeugen häufig Oberschwingungsströme der 5., 7., 11. und 13. Ordnung. Ihre tatsächlichen Pegel hängen vom Antrieb und dem elektrischen System ab.
Ja, dies kann bei korrekter Dimensionierung und Installation erreichbar sein. Die Leistung hängt jedoch von der vorhandenen Verzerrung, den Betriebsbedingungen und der Filterkapazität ab.
Nein. Der Bedarf an Filterung hängt von der gemessenen Verzerrung, der Netzstärke, der Empfindlichkeit der Geräte und den geltenden Anforderungen ab.
Netzdrosseln können eine nützliche Oberschwingungsreduzierung bewirken, erreichen jedoch möglicherweise keine strengen Verzerrungsziele. Eine zusätzliche Filterung kann erforderlich sein.
Ein aktiver Oberschwingungsfilter kann an einer Hauptverteilung oder in der Nähe einer Gruppe von Frequenzumrichtern installiert werden. Der beste Ort hängt von den Oberschwingungsquellen und dem Punkt ab, an dem eine Kompensation erforderlich ist.
Die Reduzierung von Oberschwingungsverzerrungen in Frequenzumrichtern erfordert mehr als nur die Installation eines Filters. Ingenieure müssen zuerst den Oberschwingungsstrom messen, die Hauptquellen identifizieren und die erforderliche Leistung verstehen.
Netzdrosseln und Gleichstromdrosseln bieten praktische Lösungen für mäßige Verzerrungen. Passive Filter eignen sich gut für geeignete Anwendungen mit stabiler Last, während aktive Oberschwingungsfilter eine flexible Kompensation für sich ändernde industrielle Lasten bieten.
Für Anlagen, die mehrere Frequenzumrichter betreiben, können eine ordnungsgemäße Messung und Filterdimensionierung die elektrische Beanspruchung verringern, die Zuverlässigkeit verbessern und die IEEE-519-Konformität unterstützen.
IPv6-Netzwerk unterstützt
