Was verursacht einen hohen THDi und wie können Sie ihn reduzieren?

Ein hoher THDi-Wert (Gesamtklirrfaktor des Stroms) ist das Verhältnis des Effektivwerts aller Stromoberschwingungen zum Grundstrom, ausgedrückt in Prozent. Er steigt, wenn nichtlineare Lasten wie Frequenzumrichter, Gleichrichter, USV-Anlagen und Ladegeräte Stromimpulse anstatt einer reinen Sinuswelle beziehen. Ein hoher Messwert muss erklärt und nicht einfach korrigiert werden: Messen Sie das Spektrum am Netzanschlusspunkt (PCC) und reduzieren Sie die Oberschwingungen des gemessenen Stroms.

Dieser Leitfaden erklärt die Ursachen für einen hohen THDi-Wert, wie man ihn misst und wie man zwischen Netzreaktoren, passiven Filtern, einem aktiven Oberwellenfilter (AHF) und einem statischen Blindleistungsgenerator (SVG) wählt.

Was verursacht einen hohen THDi-Wert?

Die Hauptursache sind nichtlineare Lasten, die ihre Leistung elektronisch regeln, sodass der von ihnen aufgenommene Strom nicht proportional zur angelegten Spannung ist. Häufige Ursachen sind:

• Frequenzumrichter für Motoren, Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren
• USV-Systeme und Schaltnetzteile
• AC- und DC-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge
• Gleichrichter, Schweißgeräte und industrielle Stromversorgungen
• LED-Beleuchtungstreiber und Büroelektronik
• Solarwechselrichter, Batterieladegeräte und Energiespeicherkonverter

Ein Sechspuls-Gleichrichter erzeugt hauptsächlich die ungeraden Ordnungen 5., 7., 11. und 13. Ordnung; einphasige Geräte fügen weitere Ordnungen hinzu. Die Verzerrungen verschlimmern sich, wenn viele Geräte einen Transformator oder eine Sammelschiene gemeinsam nutzen oder wenn die Stromerzeugung im Standby-Betrieb die Quellimpedanz verändert.

Die Folge: Hitze, Kapazitätsverlust und Resonanz

Oberschwingungsströme verrichten keine nutzbare Arbeit, erzeugen aber dennoch Wärme: Transformatoren weisen höhere Wicklungs- und Wirbelstromverluste auf, und Kabel, Sammelschienen und Neutralleiter werden heißer als durch die Grundwelle allein vermuten lässt. Dreifache Oberschwingungen addieren sich im Neutralleiter anstatt sich aufzuheben, sodass dieser einen Nullstrom führen kann, der sich dem Phasenstrom annähert.

Der zusätzliche Effektivstrom verbraucht außerdem Kapazität, die sonst der Last dienen würde, und feste Kondensatorbänke können mit der Versorgungsinduktivität in Resonanz geraten, wodurch eine Oberschwingung verstärkt und Kondensatoren überhitzt oder Schutzmechanismen ausgelöst werden.

Wie man einen hohen THDi-Wert misst und diagnostiziert

Verwenden Sie einen Netzqualitätsanalysator der Klasse A, um das Spektrum an der Last, der Zuleitung und dem Netzanschlusspunkt (PCC) zu protokollieren: THDi und Oberwellenströme, einzelne Oberwellenordnungen, Leistungsfaktor, THDv und Nullstrom.

Die Platzierung der Stromwandler ist entscheidend: Ein hoher Messwert an einer Maschine kann am Netzanschlusspunkt (PCC) unschädlich sein, während sich mehrere moderate Quellen stromaufwärts addieren. Installieren Sie die Stromwandler so, dass sie die Last erfassen, nicht den Ausgangsstrom des Filters. Ein verpolter Stromwandler liefert einen falschen Referenzwert und kann die Leistung eines korrekten Filters beeinträchtigen.

Wie man einen hohen THDi-Wert senkt

Die Auswahl hängt vom Spektrum, der Lastvariation, der Netzimpedanz und dem erforderlichen PCC-Ergebnis ab.

Identifizieren Sie die wichtigsten Oberwellenquellen

Ermitteln Sie, welches Gerät den größten Anteil an Oberwellenstrom erzeugt und wann, damit kein Filter an die falsche Zuleitung oder den falschen Oberwellenbereich angeschlossen wird.

Überprüfen Sie das Verteilungsdesign

Trennen Sie empfindliche Geräte von nichtlinearen Lasten und überprüfen Sie die Kabeldimensionierung, die Neutralleiterkapazität und die Phasenbalance, bevor Sie Hardware hinzufügen, da ein Netzwerkproblem nicht immer herausgefiltert werden kann.

Verwenden Sie Netzreaktoren oder Gleichstromdrosseln.

Drosseln und Reaktoren reduzieren Verzerrungen durch einzelne Antriebe und Gleichrichter, sind aber in der Regel nicht ausreichend, wenn viele wechselnde Lasten an einer Sammelschiene angeschlossen sind.

Passive Filter mit reduzierter Abstimmung dort einsetzen, wo die Bedingungen stabil sind

Ein verstimmtes passives Filter zielt auf ausgewählte Frequenzen ab, wenn das Spektrum vorhersagbar ist. Ein Filter, der in der Nähe des Resonanzpunktes des Netzwerks abgestimmt ist, kann jedoch die Harmonische verstärken, die er eigentlich entfernen soll.

Installieren Sie einen aktiven Oberwellenfilter.

Ein aktiver Oberwellenfilter misst den Laststrom, extrahiert die Oberwellenanteile und speist einen gegenläufigen Kompensationsstrom ein. Die Korrektur erfolgt ordnungsweise und nicht auf eine einzelne Frequenz abgestimmt, sodass ein aktiver Oberwellenfilter keine Resonanzen von Festkondensatoren hervorruft. YT Electric fertigt diese Filter.YTPQC-AHF aktiver Oberwellenfilterauf einer dreistufigen Wandlertopologie mit einer Schalt- und Steuerfrequenz von 25,6 kHz, in Modulen von 15 A bis 150 A.

Fügen Sie einen Blindleistungsgenerator hinzu, wo die Blindleistung überwiegt.

Wenn ein niedriger Leistungsfaktor und schwankende Blindleistung anstelle von Oberschwingungsströmen dominieren,Statischer Variablengenerator (SVG)ist das bessere Werkzeug: Es synthetisiert induktiven oder kapazitiven Strom, um den Zielleistungsfaktor zu halten, und kann dreiphasige Unsymmetrien korrigieren.

Vergleich von Technologien zur Oberwellenreduzierung

Die Tabelle unten fasst zusammen, wie sich die Optionen unterscheiden, was jede einzelne korrigiert und wo jede ihren Platz hat.

Tabelle 1 — Vergleich der wichtigsten Technologien zur Oberwellenreduzierung (Produktdaten von YT Electric).

Wie man die Oberwellenreduzierung auswählt und dimensioniert

Die Filterdimensionierung erfolgt anhand des gemessenen Spektrums, nicht anhand der angeschlossenen Kilowatt oder eines einzelnen THDi-Messwerts. Der zu kompensierende Oberwellenstrom ist die Effektivwertsumme der einzelnen Ordnungen, I._H= √(I₅² + I₇² + I₁₁² + …). Mit nur einem THDi-Wert lässt sich der Oberwellenstrom auf etwa Laststrom × THDi plus 20–30 % Reserve für Lastzuwachs schätzen. Die modularen Einheiten lassen sich problemlos parallel schalten, sodass ein Design mit einem Modul beginnen und später erweitert werden kann.

Prüfen Sie den Installationsort, die Spannung, den Platzbedarf im Schaltschrank, die Kühlung und die Kompatibilität mit vorhandenen Kondensatorbatterien oder Generatoren und bestätigen Sie den Nennstrom bei 45 °C Umgebungstemperatur. Die dreistufige Topologie halbiert die Ausgangsspannungsänderungsgeschwindigkeit (dv/dt) und reduziert die elektromagnetischen Störungen (EMI). Eine hohe IGBT-Schaltfrequenz, wie die im YTPQC-AHF verwendeten 25,6 kHz, erweitert die Bandbreite, sodass höhere Ordnungen mit einer kleineren Ausgangsdrossel kompensiert werden. Für die höchsten Ordnungen wird einAktiver SiC-MOSFET-Oberschwingungsfiltererweitert die Reichweite noch weiter.

Tabelle 2 — Auswahl- und Parametermatrix für die technische Prüfung des YTPQC-AHF (Bestätigung der endgültigen Bewertung anhand einer Standortanalyse).

Grenzen und wann diese Lösungen nicht ausreichen

• Ein AHF korrigiert Verzerrungen nur von Lasten innerhalb seines Messkreises; er kann keine Oberschwingungen von einer anderen Zuleitung oder einem Generator erkennen.
• Die Kompensationskapazität ist begrenzt – bei einer Laststeigerung über die Auslegung hinaus sind eine neue Messung und zusätzliche Module erforderlich.
• Ein passiver Filter ist nach der Installation fixiert und verliert an Wirksamkeit, wenn sich das Spektrum oder das Lastprofil ändert.
• Kein Gerät macht die korrekte Dimensionierung von Neutralleiter und Kabel überflüssig, und keines kann Verzerrungen von der Versorgungsseite des PCC ausgleichen.

Diese Grenzwerte sind der Grund, warum vor der Geräteauswahl eine Oberwellenanalyse durchgeführt wird und warum die Inbetriebnahmemessungen über den gesamten Betriebsbereich wiederholt werden.

Häufig gestellte Fragen

Was gilt als hoher THDi-Wert?

Der zulässige THDi-Wert hängt vom Netz, der Last, dem Standard und dem Standort ab. IEEE 519 begrenzt die Stromverzerrung auf etwa 5–15 % über das Kurzschlussverhältnis am Netzanschlusspunkt (PCC); der Wert ist stets zusammen mit dem Oberwellenstrom in Ampere abzulesen.

Wie dimensioniere ich einen aktiven Oberschwingungsfilter für die Beschaffung?

Die Dimensionierung erfolgt anhand des gemessenen Oberwellenstroms, nicht anhand der Transformator-Nennleistung: Verwenden Sie die Effektivwertsumme der einzelnen Oberwellenordnungen oder Laststrom × THDi plus 20–30 % Reserve. Geben Sie Nennspannung und -strom, Montageart und Ziel-THDi an. YT Electric liefert den YTPQC-AHF von 15 A bis 150 A.

Ist für die Installation ein Systemabschaltvorgang erforderlich und welche Wartungsarbeiten sind notwendig?

Der Filter wird parallel geschaltet, daher ist für die Installation lediglich eine kurze geplante Abschaltung für die Stromwandlermontage und -verkabelung erforderlich. Kühlventilatoren und Luftfilter sind jährlich (vierteljährlich an staubigen Standorten) zu überprüfen. Außerdem sind das Anzugsmoment der Stromschienen, die Anschlusstemperatur und die Polarität der Stromwandler zu kontrollieren.SVG- und AHF-Wartungschützt die Investition.

Wie hoch ist der Return on Investment (ROI) bei der Reduzierung von Oberwellen?

Die Argumentation basiert auf messbaren Faktoren: geringere Kosten für Blindleistung und Verzerrungen, freigesetzte Verteilungskapazität durch die Beseitigung von Oberschwingungsströmen und vermiedene Anlagenausfälle. Die Amortisationszeit hängt vom lokalen Tarif, dem Lastprofil und der Ausfallhistorie ab und sollte daher anhand der Zählerdaten der Anlage berechnet werden.

Abschluss

Ein hoher THDi-Wert ist ein Symptom, keine Diagnose: Er weist auf nichtlineare Lasten, auf Bedingungen, die Verzerrungen verstärken, und auf die Messung hin, die die Quelle identifiziert. Wenn in Ihrer Anlage ein hoher THDi-Wert, Überhitzung oder Fehlauslösungen auftreten, kann YT Electric Ihre Stromqualitätsdaten analysieren und Ihnen eine passende Lösung empfehlen. Kontaktieren Sie unser Team oder informieren Sie sich über die Möglichkeiten.Aktiver Oberwellenfilterund die Leistungsbereiche der statischen Blindleistungsgeneratoren so gewählt, dass die Nennleistung Ihrer gemessenen Last entspricht.