Was ist THDi und wie entsteht es?

In unserer zunehmend digitalen und leistungselektronischen Welt ist das Verständnis der Stromqualitätsparameter unerlässlich – insbesondere für Ingenieure, Techniker und Anlagenmanager. Ein wichtiger Messwert ist der THDi-Wert (Total Harmonic Distortion of Current). Doch was genau ist THDi und wie entsteht er in elektrischen Systemen?

Was ist THDi?

THDi steht für Total Harmonic Distortion of Current und misst, wie stark eine Stromwellenform aufgrund von Oberschwingungen von einer reinen Sinusform abweicht. Oberschwingungen sind Spannungs- oder Stromkomponenten mit Frequenzen, die ein Vielfaches der Grundfrequenz (üblicherweise 50 oder 60 Hz) betragen. Einfacher ausgedrückt: Oberschwingungen verzerren die elektrische Wellenform, und THDi quantifiziert diese Verzerrung des Stroms.

Der THDi-Wert wird üblicherweise in Prozent angegeben. Ein niedriger THDi-Wert (z. B. unter 5 %) deutet darauf hin, dass die Stromwellenform einer idealen Sinuswelle nahekommt, während ein hoher THDi-Wert (z. B. über 20 %) bedeutet, dass die Wellenform stark verzerrt ist.

Diese Verzerrung kann zu verschiedenen Problemen in einem elektrischen System führen, darunter Überhitzung, verringerte Effizienz, Gerätestörungen und Störungen empfindlicher Elektronik.

Wie kommt es zu THDi?

Die Hauptursache für einen hohen THDi-Wert in elektrischen Systemen ist die Verwendung nichtlinearer Lasten. Im Gegensatz zu linearen Lasten (wie Widerstandsheizungen oder Glühlampen), die sinusförmigen Strom ziehen, ziehen nichtlineare Lasten den Strom in abrupten Impulsen statt in gleichmäßigen Wellen, wodurch Oberschwingungen entstehen.

Zu den üblichen Quellen nichtlinearer Lasten zählen:
- Frequenzumrichter (VFDs)
- LED-Beleuchtungssysteme
- Computer und Bürogeräte
- USV-Systeme
- Schaltnetzteile
- Batterieladegeräte

Diese Geräte wandeln Wechselstrom in Gleichstrom um oder regeln den Strom durch Hochgeschwindigkeitsschalten. Dieser Schaltvorgang verzerrt die Wellenform und erzeugt harmonische Ströme.

Auswirkungen eines hohen THDi

Ein hoher THDi-Wert kann mehrere negative Folgen haben, darunter:

1. Überhitzung von Kabeln und Transformatoren: Oberschwingungsströme verursachen eine zusätzliche Erwärmung in Leitern und Transformatoren, was zu thermischer Belastung und einer verkürzten Lebensdauer der Geräte führt.

2. Reduzierter Leistungsfaktor: Oberwellen können die Stromwellenform verzerren, den tatsächlichen Leistungsfaktor senken und die Scheinleistung erhöhen, was zu höheren Stromrechnungen führen kann.

3. Gerätefehlfunktionen: Bei empfindlicher Elektronik wie SPS, Sensoren und Kommunikationsgeräten kann es in Umgebungen mit hohem THDi-Wert zu Datenfehlern oder Fehlfunktionen kommen.

4. Störungen von Schutzeinrichtungen: Leistungsschalter und Sicherungen funktionieren möglicherweise nicht richtig, wenn die Wellenform erheblich verzerrt ist.

5. Resonanzprobleme: In einigen Fällen können harmonische Ströme mit der Systemkapazität oder -induktivität in Resonanz treten, was zu einer Spannungsverstärkung und möglichen Geräteschäden führen kann.

So reduzieren Sie THDi

Die Reduzierung des THDi erfordert eine Kombination aus Designverbesserungen und Techniken zur Harmonischenminderung:

1. Verwendung passiver Filter: Passive Oberwellenfilter sind darauf ausgelegt, bestimmte Oberwellenfrequenzen zu blockieren und ihre Ausbreitung zu verhindern.

2. Aktive Oberwellenfilter (AHFs): Diese injizieren dynamisch gegenharmonische Ströme, um die Verzerrung in Echtzeit auszugleichen.

3. K-bewertete Transformatoren: Spezielle Transformatoren, die für die Handhabung harmonischer Lasten ohne Überhitzung ausgelegt sind.

4. Netzdrosseln und Drosseln: Diese Komponenten helfen, Stromspitzen auszugleichen und Oberwellen an der Quelle zu reduzieren.

5. Richtiger Lastausgleich: Durch die Gewährleistung einer gleichmäßigen Lastverteilung auf die Phasen können Neutralleiterströme und die damit verbundenen Oberschwingungen reduziert werden.

6. Auswahl von Geräten mit niedrigem Klirrfaktor: Viele moderne Geräte sind mittlerweile so konzipiert, dass sie den Normen für harmonische Emissionen wie IEEE 519 oder IEC 61000-3-2 entsprechen.

Abschluss

Das Verständnis des THDi ist entscheidend für die Funktionsfähigkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit elektrischer Systeme. Mit der zunehmenden Verbreitung elektronischer und digitaler Geräte in der Industrie nimmt das Auftreten nichtlinearer Lasten – und damit auch die harmonische Verzerrung – zu. Durch die Identifizierung von Oberschwingungsquellen und die Anwendung geeigneter Minderungstechniken können Anlagenmanager und Ingenieure den THDi reduzieren, die Energiekosten senken und die Lebensdauer der Geräte verlängern.

Oberschwingungen sind zwar für das Auge unsichtbar, ihre Auswirkungen auf Stromnetze sind jedoch real und messbar. Die Überwachung und Verwaltung von THDi ist nicht länger optional – sie ist ein notwendiger Schritt hin zu intelligenteren, saubereren und widerstandsfähigeren elektrischen Infrastrukturen.

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