Harmonische Verluste und ihre Auswirkungen auf die Stromqualität verstehen

Harmonische Verluste und ihre Auswirkungen auf die Stromqualität verstehen

 

Die Qualität der Stromversorgung ist entscheidend für die Effizienz eines Motors. Zu den wichtigsten Parametern der Stromversorgungsqualität zählen Oberschwingungen, Spannungsunsymmetrie und Spannungsschwankungen.

 

In einem Wechselstromsystem (AC) werden das Spannungspotenzial und der Strom durch den Lastkreis anhand von Frequenz und Amplitude beschrieben. Die Stromfrequenz entspricht der Spannungsfrequenz, solange der Lastwiderstand oder die Impedanz konstant bleibt. Bei linearen Lasten wie Widerständen, Kondensatoren oder Induktoren haben Strom und Spannung dieselbe Frequenz. Wenn die Eigenschaften dieser Komponenten unverändert bleiben, ändert sich die Frequenz des Stroms nicht.

 

Bei nichtlinearen Lasten wie Schaltnetzteilen, Sättigungstransformatoren, Kondensatoren, die sich auf die Spitzenversorgungsspannung aufladen, und in Antrieben verwendeten Wandlern sind die Lasteigenschaften jedoch dynamisch. Wenn sich die Spannungsamplitude ändert und die Lastimpedanz schwankt, ändert sich die Stromfrequenz. Diese Stromänderungen und die daraus resultierenden komplexen Wellenformen sind eine Folge dieser Lastschwankungen.

 

Was sind Obertöne?

 

Harmonische sind zusätzliche Spannungs- und Stromfrequenzen, die die standardmäßigen sinusförmigen Spannungs- und Stromwellenformen überlagern. Normalerweise sind diese harmonischen Frequenzen Vielfache der Grundfrequenz von 50 Hertz (Hz). Harmonische werden durch „Schaltlasten“ (oder „nichtlineare Lasten“) erzeugt, bei denen der Strom nicht gleichmäßig mit der Spannung schwankt, wie dies bei einfachen ohmschen und reaktiven Lasten der Fall ist. Jedes Mal, wenn der Strom ein- und ausgeschaltet wird, wird ein Stromimpuls erzeugt. Die resultierende gepulste Wellenform umfasst ein Spektrum harmonischer Frequenzen, einschließlich der 50-Hz-Grundfrequenz und ihrer Vielfachen.

 

 

Wellenformen mit höherer Frequenz, die zusammen als Gesamtverzerrung (THD) bezeichnet werden, leisten keine nützliche Arbeit und können erhebliche Probleme verursachen. Der Betrieb nichtlinearer Lasten verursacht verzerrten Strom, der pfadabhängig ist. Während die Auswirkungen der Stromverzerrung auf Lasten innerhalb einer Anlage minimal sind, können harmonische Ströme nicht in andere Geräte als die nichtlinearen Lasten fließen, die sie verursacht haben. Die Auswirkungen der Stromverzerrung auf Verteilungssysteme können jedoch schwerwiegend sein, vor allem aufgrund des erhöhten Stromflusses durch das System. Folglich erhöhen Stromoberwellen die Verluste in den Komponenten des Stromsystems sowohl der Kunden als auch des Versorgungsunternehmens.

 

Quellen von Oberschwingungen

 

Mehrere nichtlineare Lasten erzeugen Oberschwingungen, darunter:

- Statische Stromrichter und Gleichrichter, wie sie in USVs und Batterieladegeräten verwendet werden.

- Lichtbogenöfen.

- Leistungselektronik für Motorsteuerungen (AC/DC-Antriebe).

- Computers.

- Fernsehempfänger.

- Gesättigte Transformatoren.

- Leuchtstofflampen.

- Telekommunikationsausrüstung.

 

Auswirkungen von Oberschwingungen

 

Oberschwingungen wirken sich auf verschiedene Netzelemente innerhalb eines Systems auf vielfältige Weise aus. Immer wenn harmonische Ströme durch Geräte fließen, treten mehrere Probleme auf:

 

1. Increased Losses: Due to higher frequency, devices like motors and transformers with laminated cores suffer higher losses. Harmonic currents cause additional heating in these devices.

 

2. Cable Heating: Harmonic currents tend to flow through the outer skin of conductors due to the skin effect, resulting in conductor heating.

 

3. Nuisance Tripping: Harmonics can cause unintended tripping of relays and failure of capacitors installed for power factor improvement.

 

4. Measurement Errors: Certain harmonic currents (e.g., 5th harmonic) have a reverse phase sequence, leading to incorrect readings in electro-mechanical metering devices. In polluted networks, normal induction motors may not develop the necessary torque due to harmonic currents generating counteracting torque.

 

5. Telecommunication Interference: Higher order harmonics interfere with telecommunication systems. When a telephone line runs parallel to a power line with harmonics, noise is introduced into the telephone line, a phenomenon known as telephonic interference.

 

6. Device Malfunction: Highly polluted voltage can lead to malfunction of devices like thyristors, which depend on the zero crossing of the voltage waveform, potentially causing commutation failure.

 

7. Power Factor Reduction: High harmonic content results in a low power factor. The angle between the fundamental components of current and voltage gives the Displacement Power Factor (DPF), whereas the angle between voltage and RMS current (both fundamental and harmonic) gives the total Power Factor (PF). For linear loads, PF and DPF are the same. However, for loads generating many harmonics, PF is much lower than DPF.

 

8. Neutral Overheating: In a 3-phase, 4-wire system, certain harmonic currents (e.g., 3rd harmonic) tend to flow in the neutral. Many domestic and commercial non-linear loads generate substantial amounts of 3rd harmonic current, causing the neutral conductor to overheat, which may lead to melting. In extreme cases, the neutral current can exceed 1.5 times the normal line current.

 

9. Generator Stress: Harmonic current affects generators, especially those operating at maximum capacity. These generators often lack the margin to accommodate additional heating losses caused by harmonic currents, leading to insulation deterioration in electrical equipment.

 

Harmonic Loss in Motors

 

When harmonic currents flow through motors, they generate additional losses and heat. This heat can reduce the motor's efficiency and lifespan. Harmonic currents cause extra losses due to their higher frequency, leading to higher iron losses in the motor's core and additional copper losses in the windings. This not only reduces the efficiency of the motor but also increases its operating temperature, potentially causing thermal stress and premature failure.

 

Addressing Harmonic Loss

 

To address harmonic loss and improve power quality, several strategies can be employed:

 

1. Installation of Harmonic Filters: Active and passive harmonic filters can be installed to reduce harmonic distortion in the power system. These filters help mitigate the effects of harmonics and improve overall power quality.

 

2. Use of Power Factor Correction Devices: Devices like Static Var Generators (SVG) and Active Power Filters (APF) can be used to correct power factor and reduce harmonic distortion. These devices improve the efficiency of the power system and reduce losses.

 

3. Regular Maintenance and Monitoring: Regular maintenance of electrical equipment and monitoring of power quality parameters can help identify and address issues related to harmonics. Using advanced monitoring systems, facility managers can track harmonic levels and take corrective actions when necessary.

 

4. Design Considerations: During the design phase of electrical systems, considerations should be given to the types of loads and their harmonic generation characteristics. Designing systems to minimize the impact of harmonics can lead to better performance and reduced losses.

 

Conclusion

 

Harmonic loss is a critical issue affecting power quality and efficiency in electrical systems. Non-linear loads generate harmonics that can cause additional losses, overheating, and equipment malfunctions. Addressing harmonic loss through the installation of filters, use of power factor correction devices, regular maintenance, and thoughtful design can significantly improve power quality and system efficiency. By understanding and mitigating the impact of harmonics, facility managers and engineers can ensure the reliable and efficient operation of electrical systems, leading to reduced energy costs and longer equipment lifespan.

 

Real-world Examples and Benefits

 

To understand the importance of addressing harmonic loss, let's consider a few real-world examples and their benefits:

 

1. Manufacturing Plant: In a large manufacturing plant, numerous non-linear loads such as welding machines, variable frequency drives, and computers create significant harmonic distortion. By installing harmonic filters and using power factor correction devices, the plant can reduce energy losses, lower operating temperatures of equipment, and prevent unexpected shutdowns due to tripping relays. This results in improved productivity and reduced maintenance costs.

 

2. Commercial Building: In a commercial building with multiple floors and a variety of electronic equipment, harmonics can lead to overheating of neutral conductors and increased electricity bills. Implementing harmonic mitigation strategies not only ensures a safer electrical system but also enhances the building's energy efficiency, leading to lower utility expenses and a more comfortable environment for occupants.

 

3. Rechenzentrum: Rechenzentren beherbergen kritische IT-Infrastrukturen, die zuverlässig funktionieren müssen. Oberschwingungen können Probleme mit der Stromqualität verursachen, die die Leistung von Servern und Kühlsystemen beeinträchtigen. Durch die Behebung von Oberschwingungsverlusten können Rechenzentren eine höhere Zuverlässigkeit erreichen, Datenverlust verhindern und den Kühlbedarf reduzieren, was letztlich Energiekosten spart und die Lebensdauer ihrer Geräte verlängert.

 

4. Stromversorgungssystem: Versorgungsunternehmen, die Strom an verschiedene Verbraucher liefern, müssen harmonische Verzerrungen bewältigen, um die Netzstabilität aufrechtzuerhalten. Durch den Einsatz von Oberschwingungsfiltern und Leistungsfaktorkorrekturgeräten an strategischen Punkten im Verteilungsnetz können Versorgungsunternehmen Energieverluste minimieren, die Spannungsstabilität verbessern und eine konstante Stromversorgung ihrer Kunden sicherstellen.

 

Einfache Schritte für Unternehmen

 

Unternehmen, die Oberschwingungsverluste verringern und ihre Stromqualität verbessern möchten, haben die folgenden einfachen Schritte parat:

 

1. Führen Sie eine Prüfung der Stromqualität durch: Beauftragen Sie einen Fachmann mit einer umfassenden Prüfung der Stromqualität Ihrer Anlage. Diese Prüfung identifiziert Oberschwingungsquellen und Bereiche, in denen Verbesserungen möglich sind.

 

2. Installieren Sie Oberschwingungsfilter: Installieren Sie auf Grundlage der Auditergebnisse geeignete Oberschwingungsfilter, um die Auswirkungen von Oberschwingungen zu mildern. Aktive Filter sind besonders effektiv bei dynamischen Lasten, während passive Filter in stabileren Umgebungen verwendet werden können.

 

3. Auf moderne Geräte umrüsten: Erwägen Sie die Aufrüstung alter oder ineffizienter Geräte, die hohe Oberwellen erzeugen. Moderne Geräte verfügen häufig über integrierte Funktionen zur Minimierung der Oberwellenerzeugung.

 

4. Führen Sie regelmäßige Wartungsarbeiten durch: Erstellen Sie einen Zeitplan für die routinemäßige Wartung Ihrer elektrischen Systeme. Regelmäßige Kontrollen können helfen, Probleme zu erkennen und zu beheben, bevor sie zu größeren Problemen werden.

 

5. Mitarbeiter schulen: Schulen Sie Ihre Mitarbeiter hinsichtlich der Bedeutung der Stromqualität und der Auswirkungen von Oberschwingungen. Geschulte Mitarbeiter können dabei helfen, bewährte Verfahren beizubehalten und potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen.

 

Abschließende Gedanken

 

Das Verständnis und die Behebung von Oberschwingungsverlusten ist für die Aufrechterhaltung effizienter und zuverlässiger elektrischer Systeme unerlässlich. Oberschwingungen können verschiedene Probleme verursachen, darunter erhöhte Verluste, Überhitzung, Gerätestörungen und höhere Energiekosten. Durch proaktive Maßnahmen zur Minderung der Oberschwingungsverzerrung können Unternehmen und Einrichtungen ihre Stromqualität verbessern, die Systemleistung steigern und erhebliche Kosteneinsparungen erzielen. Mit der richtigen Planung, Wartung und dem Einsatz fortschrittlicher Technologien können die durch Oberschwingungen verursachten Herausforderungen effektiv bewältigt werden, was zu einem stabileren und effizienteren Stromsystem für alle führt.