Oberwellen in elektrischen Systemen werden durch nichtlineare Komponenten verursacht, die die Sinuswelle des elektrischen Stroms verzerren. Mit der zunehmenden Verbreitung von Leistungselektronik nimmt auch die Spannungsverzerrung bzw. die Oberwellen zu. Geräte wie Frequenzumrichter (VFDs), unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) und Wechselrichter führen verschiedene Arten von Oberwellen in das System ein. Diese Oberwellen können zu Problemen wie Geräteausfällen, Überhitzung und kürzerer Gerätelebensdauer führen. Der Einsatz von Oberwellenfiltern kann dazu beitragen, diese schädlichen Oberwellen zu reduzieren oder zu eliminieren, bevor sie Schäden verursachen.
Oberschwingungen in elektrischen Energiesystemen verstehen
Harmonische Ströme entstehen durch das nichtlineare Verhalten elektrischer Geräte. Diese Ströme und die von ihnen verursachten harmonischen Spannungen stammen aus verschiedenen Quellen, die in ihrer Größe sehr unterschiedlich sein können. In der Vergangenheit waren Geräte wie Transformatoren oder Generatoren bedeutende Quellen für Harmonische. Angesichts des Fokus auf Energieeffizienz ist die Reduzierung von Harmonischen auch heute noch für viele Branchen wichtig, beispielsweise für die Wasseraufbereitung sowie die Öl- und Gasindustrie.
Viele Anlagen müssen strenge Betriebs- und Umweltstandards erfüllen und sind oft rund um die Uhr in Betrieb. Die meisten Stromprobleme in diesen Anlagen entstehen im Werk selbst. Oberwellen, die in diesen Systemen häufig vorkommen, können alles von kleinen Störungen bis hin zu schweren Geräteausfällen verursachen. Das Herausfiltern dieser Oberwellen, sei es durch aktive oder passive Lösungen, ist entscheidend, um die Geräteleistung zu verbessern und die Zuverlässigkeit des elektrischen Systems der Anlage sicherzustellen.
IEEE 519-2014 und harmonische Filterung
Der IEEE-519-2014-Standard ist eine weithin anerkannte Richtlinie, die die maximal zulässigen Strom- und Spannungsverzerrungen am Anschlusspunkt (PCC) angibt. Diese Grenzwerte hängen von der Last und dem Kurzschlussstrom des Systems ab.
Durch den Einsatz passiver und aktiver ECOsine®-Oberschwingungsfilter und -drosseln im elektrischen System können Oberschwingungen auf ein Niveau gesenkt werden, das den meisten internationalen Standards entspricht. Diese Filter tragen dazu bei, die Belastung von Leitungen und Transformatoren vor nichtlinearen Lasten zu reduzieren, was Systemverluste und Betriebstemperaturen senkt. Sie verbessern außerdem den Leistungsfaktor und halten ihn nahe bei 1, selbst wenn die Last nicht voll ausgelastet ist.
Auswirkungen von Oberschwingungen auf Geräte
Frequenzumrichter werden häufig zur Steuerung von Wechselstrommotoren in verschiedenen Anwendungen wie Pumpen, Lüftern und HLK-Systemen verwendet. Diese Wechselrichter verwenden häufig Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschalttechniken, die Oberwellenprobleme verursachen können.
Hochleistungsanwendungen wie Lichtbogenöfen und Schweißgeräte erzeugen aufgrund ihres nichtlinearen Betriebs ebenfalls erhebliche harmonische Verzerrungen. Dies kann zu ungewöhnlichen harmonischen Mustern und Problemen für das elektrische System führen.
Sensitive electronic components, such as those in CNC machines, are particularly vulnerable to power system imperfections caused by harmonics. These issues can lead to equipment malfunctions, production delays, and quality problems, which can have financial consequences for the company.
Variable speed drives, often used in pumps and fans, contribute to harmonic distortion, which can overload the electrical infrastructure and cause malfunctions in sensitive equipment. In water treatment facilities, powerful VFD-driven air compressors can create high levels of harmonic distortion, leading to serious problems.
Harmonics can severely impact the electrical power network, leading to failed components, tripped breakers, blown fuses, overheating, insulation breakdown, and reduced equipment lifespan. These issues can cause production downtime and costly repairs, reducing company profits.
To fully understand and address harmonic issues, a site survey or engineering study may be needed. Many facilities follow the IEEE 519-2014 guidelines to ensure acceptable distortion levels. Reviewing the entire system, including any planned or new equipment, is essential for effective harmonic mitigation.
Passive Harmonic Filters
One way to reduce harmonics is by using passive harmonic filters. These filters are usually installed on a one-to-one basis, with one filter for each VFD. In some cases, a larger filter can handle multiple drives.
The best place to eliminate harmonics is directly at the source—the individual nonlinear load. A passive filter provides a low-resistance path for harmonic currents, significantly reducing the harmonics in the electrical system. This helps the system draw cleaner, sinusoidal current from the power source.
Installing passive harmonic filters immediately benefits the system by reducing harmonic amplitudes, lowering losses, and improving equipment efficiency and reliability. These filters also help maximize the capacity of the electrical system.
Passive filters can reduce total harmonic current distortion to acceptable levels, meeting IEEE 519 standards. They are designed to perform well under both full and partial load conditions.
Passive filters come in two types: those reducing total harmonic distortion to less than 5% (THDi) and those reducing it to 7-10% THDi. While IEEE 519 is often , sometimes a 7% or 8% improvement is sufficient for the end user. Generally, passive filters are more economical than active filters but may not address a wide range of harmonics.
Active Harmonic Filters
Another method to reduce harmonics is using active harmonic filters (AHF). These devices monitor the nonlinear load and dynamically inject a counter-current to cancel out harmonics. This keeps the current supplied by the power source sinusoidal and reduces harmonic distortion to below 5% THDi, meeting standards.
AHFs sind so konzipiert, dass sie sich schnell an Laständerungen anpassen und Oberwellen bis zur 50. Ordnung verarbeiten können. Sie arbeiten über einen breiten Frequenzbereich und passen sich bei Bedarf an das Oberwellenspektrum an.
Aktive Oberwellenfilter reduzieren nicht nur Oberwellen, sondern können auch den Leistungsfaktor verbessern, indem sie Blindstrom kompensieren. Sie gleichen auch Phasenlasten aus. AHFs sind kompakt, effizient und können an jedem beliebigen Punkt in einem Niederspannungs-Wechselstromnetz installiert werden. Sie bieten mehr Funktionalität als passive Filter und sind daher für verschiedene Anwendungen geeignet.
AHFs sind vielseitig und können für einzelne oder mehrere nichtlineare Lasten verwendet werden. Sie sind besonders nützlich in Umgebungen, in denen herkömmliche Methoden zur Leistungsfaktorkorrektur aufgrund des hohen Oberwellengehalts nicht ausreichen.
Beispiel für eine aktive Filteranwendung
In einer Anwendung litt die Leistungsfaktorkorrekturanlage unter Verlusten durch Oberschwingungen. Die Installation eines AHF mit einem Kompensationsstrom von 500 A sorgte für die nötige elektrische und thermische Entlastung, verbesserte die Stromqualität und ermöglichte die Hinzufügung eines Notstromgenerators. Die Anpassungsfähigkeit des AHF an sich ändernde Netz- und Lastbedingungen stellte den kontinuierlichen Betrieb der Abwasseraufbereitungsanlage sicher.
Abschließende Gedanken
Nach der Identifizierung von Oberschwingungsproblemen ist es wichtig, die richtige Lösung zu prüfen und umzusetzen. Angesichts der vielen Probleme, die durch Oberschwingungen verursacht werden – wie Geräteausfälle, Wartungskosten und Produktionsausfälle – kann die Aufzeichnung dieser Kosten dazu beitragen, die Investition in Minderungsgeräte zu rechtfertigen und den Return on Investment (ROI) zu berechnen.
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