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Warum Frequenzumrichter Oberschwingungsverzerrungen verursachen
Frequenzumrichter werden in modernen Fabriken weit verbreitet eingesetzt. Sie steuern die Motordrehzahl, verbessern die Prozesssteuerung und machen viele Systeme energieeffizienter.
Frequenzumrichter erzeugen jedoch auch Oberschwingungsverzerrungen.
Das Problem entsteht durch die Art und Weise, wie Frequenzumrichter Strom aus Stromversorgungen beziehen. Sie ziehen den Strom nicht in einer gleichmäßigen Sinuswelle. Sie ziehen Strom in kurzen Impulsen.
Diese Stromimpulse erzeugen zusätzliche Frequenzen im elektrischen Netz. Dadurch steigt die gesamte harmonische Verzerrung THD und die Stromqualität wird schlechter.
Ein einzelner Frequenzumrichter verursacht möglicherweise kein großes Problem. Eine große Gruppe von Frequenzumrichtern kann jedoch im gesamten Werk erhebliche Oberschwingungsverzerrungen verursachen.
Dieser Artikel erklärt, warum Frequenzumrichter Oberschwingungsverzerrungen verursachen, wie VFD-Oberschwingungen industrielle Stromversorgungen beeinflussen und wie ein aktiver Oberschwingungsfilter die gesamte harmonische Verzerrung THD reduzieren kann.
Frequenzumrichter steuern die Geschwindigkeit und das Drehmoment von Elektromotoren.
Sie ändern die dem Motor zugeführte Frequenz und Spannung. Dadurch kann der Motor mit der für den Prozess erforderlichen Geschwindigkeit laufen.
Frequenzumrichter sind üblich in:
Diese Systeme werden energieeffizienter, weil der Motor nicht immer mit voller Geschwindigkeit läuft.
Aus diesem Grund sind Frequenzumrichter heute ein Standardbestandteil der industriellen Automatisierung.
Der Vorteil ist klar. Die Herausforderung ist die Oberschwingungsverzerrung.
Die meisten Frequenzumrichter verwenden in der Eingangsstufe einen Gleichrichter.
Der Gleichrichter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um. Der Wechselrichter wandelt anschließend den Gleichstrom in gesteuerten Wechselstrom für den Motor um.
Während dieses Prozesses ziehen Frequenzumrichter Strom in Impulsen.
Die Stromkurve ist nicht mehr gleichmäßig. Sie wird verzerrt.
Diese Verzerrung erzeugt Oberschwingungsströme oberhalb der Hauptversorgungsfrequenz. Diese Oberschwingungsströme fließen durch Kabel, Transformatoren, Schaltanlagen und Stromversorgungen.
Das Ergebnis ist eine höhere gesamte harmonische Verzerrung THD.
Frequenzumrichter sind nichtlineare Lasten. Nichtlineare Lasten ziehen Strom nicht in derselben Form wie die Spannungskurve.
Dies ist der Hauptgrund, warum Frequenzumrichter Oberschwingungsverzerrungen erzeugen.
Die gesamte harmonische Verzerrung THD zeigt, wie stark sich die elektrische Wellenform von einer sauberen Sinuswelle unterscheidet.
Ein niedriger Wert der gesamten harmonischen Verzerrung THD bedeutet, dass die Wellenform nahezu normal ist.
Ein hoher Wert der gesamten harmonischen Verzerrung THD bedeutet, dass Oberschwingungsströme das elektrische Netz beeinflussen.
Ingenieure messen häufig:
Frequenzumrichter erzeugen normalerweise zuerst Stromverzerrungen. Dieser verzerrte Strom kann anschließend die Spannungsqualität im gesamten System beeinflussen.
Aus diesem Grund sollte die gesamte harmonische Verzerrung THD am Hauptverteilungspunkt und in der Nähe großer Lasten gemessen werden.
VFD-Oberschwingungen bleiben nicht innerhalb des Antriebs.
Sie fließen zurück in die Stromversorgungen und beeinflussen andere Geräte, die mit demselben Netzwerk verbunden sind.
Dies kann mehrere Probleme verursachen.
Oberschwingungsströme erhöhen die Verluste innerhalb von Transformatoren.
Der Transformator führt mehr RMS-Strom als erwartet. Dies erzeugt mehr Wärme in den Wicklungen und im Kern.
Eine hohe gesamte harmonische Verzerrung (THD) kann verursachen:
Ein Transformator kann unterhalb seiner Nennlast betrieben werden und trotzdem zu heiß laufen.
Die zusätzliche Wärme kann durch harmonische Verzerrung und nicht durch normale Überlastung entstehen.
Oberschwingungsströme fließen ebenfalls durch Kabel und Schaltanlagen.
Dies erhöht elektrische Verluste und die Temperatur.
Das Ergebnis kann Folgendes umfassen:
Stromversorgungen mit vielen Frequenzumrichtern benötigen häufig eine vollständige Überprüfung der Stromqualität.
Viele Fabriken verwenden Kondensatorbänke zur Blindleistungskompensation.
Kondensatorbänke können in Systemen mit hoher harmonischer Verzerrung schlecht reagieren.
Oberschwingungsströme können den Strom erhöhen, der durch die Kondensatorbank fließt. In einigen Fällen kann die Kondensatorbank mit dem System interagieren und eine Oberschwingungsresonanz erzeugen.
Dies kann verursachen:
Eine Kondensatorbank entfernt keine VFD-Oberschwingungen.
Deshalb sollten Anlagen mit vielen Frequenzumrichtern die Oberschwingungspegel prüfen, bevor sie eine Kondensatorbank hinzufügen oder ersetzen.
Frequenzumrichter verbessern die Motorsteuerung. Allerdings kann eine hohe Oberschwingungsverzerrung weiterhin das gesamte elektrische System beeinträchtigen.
Andere Motoren, Relais, SPS und Steuerungssysteme können Folgendes erfahren:
Die Anlage kann weiterhin laufen, aber die Zuverlässigkeit der Ausrüstung verschlechtert sich.
Frequenzumrichter sind energieeffizient, weil sie eine unnötige Motordrehzahl reduzieren.
Eine Pumpe oder ein Lüfter muss häufig nicht den ganzen Tag mit voller Leistung laufen. Frequenzumrichter ermöglichen es dem Motor, sich an den tatsächlichen Prozessbedarf anzupassen.
Dies reduziert den Energieverbrauch.
Allerdings können energieeffiziente Geräte weiterhin Oberschwingungsverzerrungen verursachen.
Energieeffizienz und Netzqualität sind nicht dasselbe.
Ein Frequenzumrichter kann den Verbrauch an Wirkleistung reduzieren und gleichzeitig die gesamte Oberschwingungsverzerrung THD erhöhen.
Dies bedeutet, dass ein gutes Industriedesign beides berücksichtigen sollte:
Das Ignorieren einer Seite kann den Wert der anderen verringern.
Oberschwingungsverzerrungen sind nicht immer leicht zu erkennen.
Eine Anlage kann über Monate VFD-Oberschwingungen aufweisen, bevor ein eindeutiger Ausfall auftritt.
Zu den häufigen Warnzeichen gehören:
Diese Anzeichen beweisen nicht immer, dass Frequenzumrichter die Ursache sind.
Eine Messung ist weiterhin erforderlich.
Eine einzelne Strommessung ist nicht ausreichend.
Ingenieure sollten einen Netzqualitätsanalysator verwenden, um den tatsächlichen elektrischen Zustand zu messen.
Wichtige Werte umfassen:
Die Messung sollte verschiedene Betriebszeiträume abdecken.
Einige Frequenzumrichter laufen möglicherweise nur während der Spitzenproduktion. Andere können bei geringer Last stoppen.
Der Oberschwingungspegel kann sich im Laufe des Tages ändern.
Eine korrekte Untersuchung sollte diese Änderungen erfassen.
Passive Filter können ausgewählte Oberschwingungsordnungen reduzieren.
Sie können gut funktionieren, wenn die Last stabil bleibt und das Oberschwingungsprofil vorhersehbar ist.
Das Problem ist, dass viele moderne Fabriken keine stabilen Lasten haben.
Frequenzumrichter starten, stoppen und ändern die Geschwindigkeit. Auch die Produktionsnachfrage ändert sich.
Dies verändert den Oberschwingungsstrom.
Ein fest installierter passiver Filter passt möglicherweise nicht zu jeder Betriebsbedingung.
Er kann auch Abstimmungs- oder Resonanzprobleme verursachen, wenn sich das elektrische System ändert.
Für dynamische Lasten kann eine flexiblere Lösung erforderlich sein.
Ein aktiver Oberschwingungsfilter misst Oberschwingungsströme in Echtzeit.
Anschließend speist er einen entgegengesetzten Strom in das elektrische System ein.
Dieser Kompensationsstrom hebt den unerwünschten Oberschwingungsstrom auf.
Der aktive Oberschwingungsfilter passt sich an, wenn sich die Last ändert.
Dies macht ihn geeignet für Anlagen mit vielen Frequenzumrichtern.
Ein aktiver Oberschwingungsfilter kann helfen:
Im Gegensatz zu einem festen passiven Filter folgt ein aktiver Oberschwingungsfilter der tatsächlichen Oberschwingungsbedingung.
Dies ist in Fabriken nützlich, in denen Frequenzumrichter mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Lastniveaus betrieben werden.
Aktive Oberschwingungsfilter werden häufig eingesetzt in:
Diese Standorte verwenden häufig viele Frequenzumrichter und andere nichtlineare Lasten.
Der aktive Oberschwingungsfilter wird normalerweise nahe der Hauptquelle der Oberschwingungen oder am Hauptverteilungspunkt installiert.
Der beste Standort hängt von der Systemauslegung ab.
Der aktive Oberschwingungsfilter sollte anhand des gemessenen Oberschwingungsstroms ausgewählt werden.
Er sollte nicht nur anhand der gesamten Motorleistung ausgewählt werden.
Ingenieure sollten prüfen:
Die korrekte Dimensionierung ist wichtig.
Ein zu klein ausgelegter aktiver Oberschwingungsfilter kann die Oberschwingungsverzerrung möglicherweise nicht ausreichend reduzieren.
Eine überdimensionierte Einheit kann die Projektkosten erhöhen, ohne zusätzlichen Nutzen zu bieten.
Die richtige Lösung beginnt mit realen Daten zur Stromqualität.
Frequenzumrichter sind für die moderne Industrie unverzichtbar.
Sie verbessern die Motorsteuerung und machen viele Systeme energieeffizienter.
Frequenzumrichter sind jedoch nichtlineare Lasten. Sie ziehen Strom in Impulsen und erzeugen Oberschwingungsverzerrungen.
Eine hohe gesamte harmonische Verzerrung THD kann Transformatoren, Kabel, Kondensatorbänke, Schaltanlagen und industrielle Stromversorgungen beeinträchtigen.
Die Lösung besteht nicht darin, Frequenzumrichter zu entfernen.
Die Lösung besteht darin, VFD-Oberschwingungen zu kontrollieren.
Eine ordnungsgemäße Untersuchung der Netzqualität sollte die gesamte harmonische Verzerrung THD, die Lastbedingungen und den Oberschwingungsstrom messen.
Wenn sich die Last häufig ändert, kann ein aktiver Oberschwingungsfilter eine Oberschwingungsminderung in Echtzeit ermöglichen.
Dies hilft, Geräte zu schützen, die Netzqualität zu verbessern und einen zuverlässigen Betrieb in Anlagen aufrechtzuerhalten, die auf Frequenzumrichter angewiesen sind.
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