Was ist Harmonie und wie geht man damit um?

 Wie entstehen Obertöne?

 

In unserem alltäglichen Stromnetz gibt es spezielle Arten von Lasten, die als nichtlineare Lasten bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um elektronische Geräte oder Maschinen, die bei steigender Spannung nicht auf direkte Weise Strom ziehen. Wenn Elektrizität durch sie fließt, entsteht kein gleichmäßiges, sinusförmiges Strommuster. Stattdessen wird die Stromwelle holprig und unregelmäßig.

 

 Harmonische zerlegen und verstehen

 

Um diesen chaotischen Strom zu verstehen, stellen Sie sich vor, wir könnten ihn zerlegen, so wie wir weißes Licht mit einem Prisma in Farben aufteilen. Jedes sich wiederholende Strommuster kann man sich als eine grundlegende Sinuswelle (die Hauptfrequenz) vorstellen, gemischt mit vielen zusätzlichen Wellen, die exakte Vielfache der Hauptfrequenz sind. Diese Vielfachen nennen wir „Harmonische“. 

 

Wenn der Hauptrhythmus der Elektrizität – unsere Grundfrequenz – 50 Mal pro Sekunde (50 Hertz) beträgt, dann würde die zweite Harmonische doppelt so schnell schwingen, also 100 Mal pro Sekunde, und die dritte Harmonische wäre dreimal so schnell, also 150 Mal pro Sekunde, und so weiter.

 

Wenn also die Form des Stroms von seinem sauberen 50-Hertz-Takt abweicht und diese schnelleren 100-Hertz-, 150-Hertz-Rhythmen und mehr enthält, sagen wir, der Strom sei „harmonisch reich“ oder „verzerrt“. Es ist ein bisschen so, als würde man in einer Melodie zusätzliche Noten hören, die nicht Teil der Hauptmelodie sind. Die Kontrolle dieser Harmonischen ist wichtig, damit unser Stromnetz reibungslos und sicher läuft.

Woher kommen Oberwellen?

 

Heutzutage können viele Geräte, die wir täglich verwenden, bei der Verwendung von Elektrizität sogenannte „harmonische“ Ströme erzeugen. Stellen Sie sich diese Harmonischen wie zusätzliche Musiknoten vor, mit denen unser elektrisches System nicht gerechnet hat.

 

Geräte, die Oberschwingungen verursachen:

- Schaltnetzteile (SMPS), die in Computern, Telefonladegeräten und Fernsehgeräten zu finden sind.

- Energiesparlampen** mit elektronischen Vorschaltgeräten, die sie zum Leuchten bringen.

- Drehzahlregler für Ventilatoren, Pumpen und Klimaanlagen.

- Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)**, die den Computerbetrieb auch bei Stromausfällen aufrecht erhält.

- Große Maschinen mit Transformatoren und Motoren, wie Fabrikanlagen und Aufzüge.

– Sogar gewöhnliche Haushaltsgegenstände** wie Fernseher und Küchengeräte.

 

Auch verschiedene Geräte, die Wechselstrom (aus der Steckdose) in Gleichstrom (für die meisten elektronischen Geräte) umwandeln, können Oberwellen erzeugen. Dazu gehören beispielsweise Batterieladegeräte und Geräte mit einstellbarer Spannung.

 

In der Industrie sind moderne Werkzeuge wie **Frequenzumrichter** sehr nützlich geworden, um die Motordrehzahl zu regeln und Fabriken effizienter zu machen. Doch als Nebeneffekt erzeugen diese Umrichter viele dieser zusätzlichen Harmonischen. Sie sorgen dafür, dass der Strom wellenförmig und ungleichmäßig fließt, anstatt in einem gleichmäßigen, sauberen Muster.

 

Diese Oberschwingungen können dazu führen, dass die Spannung im Netz, das sozusagen die „Hauptstraße“ des Stroms ist, Einbrüche und Unebenheiten aufweist. Es ist ein bisschen wie das Fahren auf einer holprigen Straße – es kann die Fahrt verlangsamen und weniger komfortabel machen.

 

Mit fortschreitender Technologie wird die Kontrolle dieser Oberschwingungen immer wichtiger, um eine saubere und zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten – so wie es die Aufrechterhaltung einer reibungslosen Verkehrsverbindung über die Autobahn ermöglicht.

Wie verwaltet man Harmonie?

 

Die Beseitigung harmonischer Verzerrungen in elektrischen Systemen ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Stromqualität, die Gewährleistung der Langlebigkeit der Geräte und die Vermeidung von Störungen. Zwei Hauptansätze zur Minderung von Oberschwingungen sind passive und aktive Filterung, wobei jeder Ansatz seine eigenen Vorteile und Anwendungen hat.

 

Passive harmonische Filter: Passive Filter sind im Wesentlichen eine Kombination aus Induktivitäten (Spulen), Kondensatoren und manchmal Widerständen, die darauf ausgelegt sind, bestimmte harmonische Frequenzen zu dämpfen. Sie arbeiten nach dem Prinzip von Resonanzkreisen und fangen Oberschwingungsströme ab und absorbieren sie, bevor sie zurück in das Stromnetz zirkulieren können. Passive Filter sind relativ einfach, robust und erfordern nur minimale Wartung.

Sie reduzieren besonders effektiv Harmonische niedriger Ordnung (z. B. 3., 5., 7.) und sind häufig kostengünstig für Anwendungen, bei denen das harmonische Spektrum vorhersehbar und stabil ist. Aufgrund ihrer festen Abstimmung sind sie jedoch weniger anpassungsfähig an sich ändernde harmonische Lasten und können bei unsachgemäßer Konstruktion möglicherweise mit Systemimpedanzen in Resonanz treten, was zu Überspannungen führt oder andere harmonische Ordnungen verstärkt.

 

Aktive harmonische Filter (AHF): Im Gegensatz dazu verwenden aktive Filter Leistungselektronik, um aktiv Kompensationsströme in das System zu überwachen und einzuspeisen, um harmonische Ströme auszulöschen. AHFs bestehen aus Leistungswandlern, Steueralgorithmen und einem Zwischenkreiskondensator. Durch die kontinuierliche Analyse des harmonischen Inhalts des Netzwerks erzeugen sie präzise Gegensignale, die die Auswirkungen von Harmonischen in Echtzeit aufheben.

Diese Anpassungsfähigkeit ermöglicht es AHFs, ein breites Spektrum an harmonischen Frequenzen zu verarbeiten, was sie in komplexen und variablen Lastumgebungen äußerst effektiv macht. Sie können ihre Kompensationsstrategie dynamisch anpassen, wenn sich das harmonische Profil ändert, und so auch bei unvorhersehbaren Lasten eine optimale Leistung gewährleisten. Obwohl AHFs eine überlegene Flexibilität und Genauigkeit bei der Harmonischenminderung bieten, sind ihre Anschaffungskosten höher und sie erfordern im Vergleich zu passiven Filtern anspruchsvollere Steuerungssysteme.