Resonanz- und aktive Harmonischefilter

Resonanz- und aktive Harmonischefilter

Resonanz in Stromsystemen kann zu erheblichen Problemen wie Oberwellenverstärkung, Überspannungen und Geräteschäden führen. Aktive Oberwellenfilter (AHFs) spielen eine entscheidende Rolle bei der Minderung von Oberwellenverzerrungen und der Vermeidung von Resonanz. Das Verständnis, wie Resonanz entsteht und wie AHFs zur Handhabung eingesetzt werden können, ist der Schlüssel zur Aufrechterhaltung eines stabilen und effizienten elektrischen Systems.

Resonanz in Stromversorgungssystemen

Resonanz tritt auf, wenn die induktiven und kapazitiven Reaktanzen im System gleich groß, aber entgegengesetzt in der Phase sind, was zu einem deutlichen Anstieg der Spannung oder des Stroms bei einer bestimmten Frequenz führt. Es gibt zwei Hauptarten von Resonanz:

Serienresonanz:

• Tritt in einem Reihenschaltkreis auf, wenn der induktive Blindwiderstand ( XLX_L ​) und der kapazitive Blindwiderstand ( XCX_C ​) gleich sind.
• Die Gesamtimpedanz wird bei der Resonanzfrequenz minimiert, was zu einem hohen Strom führt.

Parallele Resonanz:

• Tritt in einer Parallelschaltung auf, wenn XLX_L und XCX_C gleich sind.
• Bei der Resonanzfrequenz ist die Impedanz maximal, was zu einer hohen Spannung an den Komponenten führt.

Ursachen der Resonanz

• Kondensatorbänke: Werden zur Leistungsfaktorkorrektur verwendet und können bei bestimmten harmonischen Frequenzen mit der Systeminduktivität in Resonanz treten.
• Nichtlineare Lasten: Geräte wie Gleichrichter, Wechselrichter und VFDs erzeugen Oberschwingungen, die mit Systemkomponenten interagieren können.
• Systemkonfiguration: Transformatoren, Kabel und andere Komponenten können Bedingungen schaffen, die Resonanz begünstigen.
• Laständerungen: Lastschwankungen können die Resonanzfrequenz des Systems verschieben.

Auswirkungen der Resonanz

• Überspannung und Überstrom: Können Geräte beschädigen und Isolationsfehler verursachen.
• Harmonische Verstärkung: Erhöht die gesamte harmonische Verzerrung (THD) und beeinträchtigt die Stromqualität.
• Gerätestörung: Empfindliche Geräte können ausfallen oder nicht richtig funktionieren.
• Erwärmung: Zu hohe Ströme führen zur Überhitzung von Transformatoren, Motoren und Kabeln.

Aktive Harmonischefilter (AHFs)

Aktive Oberwellenfilter sind Geräte, die harmonische Verzerrungen dynamisch ausgleichen, indem sie kompensierende Ströme einspeisen. Sie überwachen das System kontinuierlich und passen ihre Leistung an, um Oberwellen effektiv zu dämpfen.

Wie funktionieren AHFs?

• Erkennung: AHF erkennt den Oberwellengehalt im System mithilfe von Sensoren.
• Kompensation: Sie erzeugen Ströme, die in der Stärke den erkannten Harmonischen gleich, in der Phase jedoch entgegengesetzt sind.
• Einspeisung: Die Ausgleichsströme werden in das System eingespeist, um die Oberwellen auszugleichen.

Vorteile von AHFs

• Dynamische Anpassung: AHF passt sich an wechselnde Lastbedingungen an und sorgt für eine Harmonischenminderung in Echtzeit.
• Großes Spektrum an Harmonischen: Sie können mehrere harmonische Frequenzen gleichzeitig ansprechen.
• Verbesserte Stromqualität: Durch die Reduzierung des THD verbessern AHFs die allgemeine Stromqualität und Zuverlässigkeit des elektrischen Systems.

Resonanzmanagement mit AHF

Aktive Oberschwingungsfilter können bei der Steuerung und Vermeidung von Resonanzen in Stromversorgungssystemen wirksam sein. So funktioniert es:

1. Harmonische Auslöschung:

   • AHFs heben Oberwellen auf, die Resonanzzustände verursachen oder verschlimmern können, und verringern so das Risiko einer Oberwellenverstärkung.

2. Entdrosselte Reaktoren:

   • Durch die Verwendung verstimmter Reaktoren in Verbindung mit Kondensatorbänken kann die Resonanzfrequenz von problematischen harmonischen Frequenzen weg verschoben werden.
   • AHFs arbeiten mit diesen Reaktoren zusammen, um Oberwellen weiter zu mildern und Resonanzen zu verhindern.

3. Systemanalyse und Tuning:

   • Führen Sie eine gründliche Analyse des Stromsystems durch, um potenzielle Resonanzpunkte zu identifizieren.
   • Stimmen Sie AHFs richtig ab, um bestimmte Harmonische anzusprechen und die Entstehung neuer Resonanzbedingungen zu vermeiden.

4. Kontinuierliche Überwachung:

   • AHFs überwachen das System kontinuierlich und ermöglichen Echtzeitanpassungen der Oberwellen.
   • Diese dynamische Reaktion trägt zur Aufrechterhaltung eines stabilen Systems bei und verhindert die Entstehung von Resonanzzuständen.

5. Entwurfsüberlegungen:

   • Berücksichtigen Sie beim Entwurf eines Stromversorgungssystems die Platzierung und Dimensionierung von AHFs und Kondensatorbänken.
   • Stellen Sie sicher, dass die Kondensatorbänke nicht überdimensioniert sind, da dies die Resonanzgefahr erhöhen kann.
   • Verwenden Sie Simulationstools, um die Auswirkungen des Hinzufügens von AHFs und Kondensatorbänken vorherzusagen, und testen Sie das System unter verschiedenen Lastbedingungen.

Schritte zur Implementierung von AHFs zur Resonanzverwaltung

1. Bewerten Sie das System:

   • Führen Sie eine harmonische Analyse durch, um das vorhandene harmonische Profil und potenzielle Resonanzpunkte zu verstehen.

2. AHFs installieren:

   • Wählen Sie AHFs, die für die Belastung und Oberschwingungspegel des Systems angemessen ausgelegt sind.
   • Installieren Sie AHFs an strategischen Punkten im System, an denen Oberwellen am problematischsten sind.

3. AHFs und Reaktoren optimieren:

   • Stimmen Sie AHFs richtig ab, um die wichtigsten Harmonischen zu erreichen.
   • Verwenden Sie verstimmte Reaktoren mit Kondensatorbänken, um Resonanz bei harmonischen Frequenzen zu verhindern.

4. Überwachen und warten:

   • Überwachen Sie kontinuierlich die harmonischen Pegel des Systems und passen Sie die AHFs nach Bedarf an.
   • Warten Sie AHFs regelmäßig, um sicherzustellen, dass sie effektiv funktionieren.

Resonanz in Stromsystemen kann zu schwerwiegenden Problemen mit der Stromqualität und zu Geräteschäden führen. Aktive Oberwellenfilter spielen eine entscheidende Rolle bei der Verwaltung und Vermeidung von Resonanz, indem sie Oberwellen dynamisch auslöschen und die allgemeine Stromqualität verbessern. Durch das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Kondensatorbänken und AHF sowie die Umsetzung geeigneter Konstruktions-, Abstimmungs- und Wartungsstrategien ist es möglich, ein stabiles und effizientes elektrisches System frei von den schädlichen Auswirkungen von Resonanz zu erhalten.