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Was ist ein Antrieb mit variabler Drehzahl (VSD/VFD)?
Ein Antrieb mit variabler Drehzahl (VSD), auch häufig als Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) oder Antrieb mit einstellbarer Drehzahl (ASD) bezeichnet, ist ein elektronisches Gerät, das die Drehzahl und das Drehmoment eines Wechselstrommotors durch Variieren der Eingangsfrequenz und -spannung des Motors steuert.
Wie verursachen sie Oberschwingungen?
Die Grundursache liegt im internen Design eines VFD:
Eingangsgleichrichter: Das Frontend eines Standard-VFD ist ein Diodenbrückengleichrichter Dieses Bauteil wandelt die eingehende sinusförmige Wechselspannung in eine Gleichspannung um.
Nichtlineare Last: Der Gleichrichter zieht nur an den Spitzen der Spannungswellenform Strom aus der Stromversorgung, anstatt einen gleichmäßigen, kontinuierlichen sinusförmigen Strom zu ziehen. Diese kurze, gepulste Stromaufnahme ist stark verzerrt.
Harmonische Ströme: Diese verzerrte Stromwellenform kann mathematisch in eine Grundfrequenz (z. B. 60 Hz) und eine Reihe höherfrequenter Ströme zerlegt werden, die ein Vielfaches der Grundfrequenz sind (z. B. 180 Hz (3.), 300 Hz (5.), 420 Hz (7.) usw.). Diese sind Obertöne .
Warum sind Oberschwingungen ein Problem?
Oberschwingungsströme fließen durch das elektrische Verteilungssystem zurück und verursachen zahlreiche Probleme:
Überhitzung von Transformatoren, Kabeln und Neutralleitern: Oberschwingungen verursachen einen erhöhten Effektivstrom und einen „Skin-Effekt“, was zu Überhitzung und potenzieller Brandgefahr führt.
Unerwünschtes Auslösen von Leistungsschaltern: Verzerrte Wellenformen können dazu führen, dass Leistungsschalter auslösen, selbst wenn der tatsächliche Effektivstrom innerhalb der Grenzen liegt.
Spannungsverzerrung: Harmonische Ströme verursachen harmonische Spannungsverzerrungen, die andere empfindliche Geräte beeinträchtigen können, die an denselben Punkt der gemeinsamen Kopplung (PCC) angeschlossen sind.
Generatorprobleme: Kann Störungen und Überhitzung in Notstromaggregaten verursachen.
Kondensatorbankfehler: Oberwellen können mit Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren in Resonanz treten und zu Überlastung und Ausfällen führen.
Datenbeschädigung und Gerätefehlfunktion: Bei empfindlicher Elektronik wie SPS, Sensoren und Computern kann es aufgrund von Stromstörungen zu Fehlfunktionen kommen.
Ein Aktiver Oberwellenfilter ist ein hochentwickeltes Leistungselektronikgerät, das parallel zu den nichtlinearen Lasten (wie VFDs) angeschlossen wird, um Oberschwingungen zu mildern.
Wie funktioniert ein aktiver Oberwellenfilter?
Es funktioniert nach dem Prinzip der „destruktiven Interferenz“:
Echtzeitüberwachung: Fortschrittliche Sensoren messen kontinuierlich die Wellenform des Laststroms.
Sofortanalyse: Ein schneller digitaler Signalprozessor (DSP) analysiert die Wellenform und berechnet die vorhandenen harmonischen Komponenten.
Injektion von Gegenströmen: Der AHF erzeugt und injiziert sofort harmonische Ströme, die gleich groß, aber entgegengesetzt in der Phase (180° phasenverschoben) zu den gemessenen Harmonischen.
Stornierung: Diese „Gegenharmonischen“ heben die ursprünglichen harmonischen Ströme der VFDs auf, was zu einer sauberen, sinusförmigen Stromwellenform führt, die zur Stromquelle zurückfließt.
Hauptvorteile aktiver Oberschwingungsfilter:
Dynamische Leistung: Sie kompensieren Oberschwingungen in Echtzeit und eignen sich daher ideal für Systeme mit ständig wechselnden Lasten (z. B. Beschleunigung und Verlangsamung von VFDs).
Multiharmonische Filterung: Sie können eine große Bandbreite an Harmonischen (typischerweise bis zur 50. Ordnung oder höher) gleichzeitig abschwächen.
Leistungsfaktorkorrektur: Modernste AHFs kann auch Vorlauf- oder Blindleistung (kVAR) bereitstellen, um einen schlechten Leistungsfaktor zu korrigieren, eine weitere häufige Nebenwirkung von VFDs.
Flexibilität und Skalierbarkeit: Sie können für einzelne große Lasten oder für ein komplettes Schaltfeld, das mehrere VFDs versorgt, dimensioniert werden.
Keine Resonanzgefahr: Im Gegensatz zu passiven Filtern interagieren AHFs nicht mit der Systemimpedanz und können keine gefährlichen Resonanzzustände verursachen.
Das folgende Diagramm veranschaulicht, wie ein aktiver Oberschwingungsfilter in Bezug auf VFDs und die Stromquelle installiert wird:
Ein Aktiver Oberwellenfilter wird dringend empfohlen, wenn:
Sie haben eine große Anzahl von VFDs auf einem einzigen System.
Die VFDs machen einen erheblichen Teil der Kapazität des Transformators aus (z. B. > 25 %).
Sie haben Probleme mit der Stromqualität (Überhitzung, auslösende Schutzschalter).
Ihr Versorgungsunternehmen hat strenge Grenzwerte für die harmonische Verzerrung (IEEE 519 ist ein gängiger Standard).
Sie haben andere empfindliche Geräte an derselben Stromversorgung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Frequenzumrichter eignen sich hervorragend für Energieeinsparungen und Prozesskontrolle, sie sind eine wichtige Quelle für harmonische Verschmutzung . Aktive Oberwellenfilter sind die moderne, dynamische und effektive Lösung, um diese Oberschwingungen zu eliminieren, Ihre elektrische Infrastruktur zu schützen und die Einhaltung der Stromqualitätsstandards sicherzustellen.
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