OBERSCHWINGUNGEN: DEFINITION – PROBLEME – LÖSUNGEN

Zweifellos sind Oberschwingungen, sei es als Ströme oder Spannungen, heute zu einem Parameter geworden, dessen Management und Kontrolle unerlässlich sind. Insbesondere um das mögliche Auftreten von Problemen zu verhindern, die, wie wir später sehen werden, mit ihrem Vorhandensein in unserem Stromnetz zusammenhängen.

Die Verwaltung und Kontrolle von Oberschwingungen sind unerlässlich, um zu verhindern, dass verschiedene Probleme im Netz auftreten.

Was ist eine Oberschwingung?

Zunächst definieren wir den Begriff „Oberschwingung“.

Dazu reisen wir an den Anfang des 19. Jahrhunderts, als der Mathematiker Jean Baptiste Fourier feststellte, dass jede periodische Wellenform in eine Summe einfacher Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden zerlegt werden kann, die als Oberschwingungen oder Harmonische bezeichnet werden.

Aber sehen wir uns zuerst einmal ein Beispiel an, anhand dessen man das Konzept sicher besser verstehen kann:

Angenommen, die in Abb. 1 dargestellte Welle entspricht „einem Zyklus“ der Stromstärke in einem Stromnetz mit einer Netzfrequenz von 50 Hz. Das heißt, sie wird 50-mal in einer Sekunde wiederholt und hat eine Dauer von 20 Millisekunden. Wenn es ein Stromnetz mit einer Netzfrequenz von 60 Hz wäre, würde ihre Dauer 16,6 ms betragen. Man nennt diese Welle „Grundwelle“.

Und dann überlagern wir ihr eine andere Welle mit einer zwar kleineren Amplitude, aber mit einer Frequenz bei 250 Hz. Das heißt, mit einer 5-mal höheren Frequenz. Diese Welle, die in Abb. 2 dargestellt wird, würde der 5. Harmonischen entsprechen und die daraus resultierende Welle wäre die in Abb. 3 dargestellte.

Und schließlich überlagern wir diese beiden mit einer weiteren Welle mit einer Frequenz bei 350 Hz, also mit einer 7-mal höheren Frequenz als die der Grundwelle, was der in Abb. 4 dargestellten 7. Harmonischen entspricht. Die daraus resultierende Welle wäre die in Abb. 5, die wir informell als „M für McDonalds“ kennen.

Diese Welle würde man normalerweise zum Beispiel am Eingang der meisten dreiphasigen Frequenzumrichter messen, die Lasten sind, die in Industrieanlagen unverzichtbar geworden sind.

Kurz gesagt, die von einem Frequenzumrichter erzeugte Stromwelle kann daher in etwa in der Grundwelle mit einer Frequenz bei 50 oder 60 Hz und im Wesentlichen in der 5. und 7. Harmonischen vereinfacht dargestellt werden.

Daher werden wir die elektrischen Lasten in solche unterteilen, die einen reinen Grundstrom verbrauchen, die als lineare Lasten bezeichnet werden, wie z. B. Induktionsmotoren oder rein ohmsche Lasten; und solche, die eine Grundwelle plus andere harmonische Ströme verbrauchen, die bekanntermaßen als nichtlineare oder verzerrende Lasten bezeichnet werden. Darunter befinden sich Geschwindigkeits- oder Frequenzumrichter, einphasige elektronische Geräte oder LED-Leuchten. Kurz gesagt, all jene Lasten, bei denen eine Phase ihres Betriebs eine Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom beinhaltet.

Um den Oberschwingungsgehalt des Stromnetzes zu analysieren, verwenden wir die Frequenzzerlegung oder das sogenannte Spektrum. Das heißt, die Amplitude oder den Wert jeder harmonischen Ordnung. Abb. 6

Für Stromnetze mit vorherrschenden dreiphasigen Lasten wären daher normalerweise die wichtigsten die 5., 7., 11. und die 13. Harmonische in dieser abnehmenden Größenordnung. Und im Fall von 4-adrigen Stromnetzen mit einer signifikanten Präsenz von einphasigen Lasten, die zwischen Phase und Neutralleiter eingespeist werden, wären zusätzlich zu den oben genannten auch die 3., 9. und die 15. Harmonische vorhanden, wobei in diesem Fall im Allgemeinen die 3. Harmonische die wichtigste ist.

Und die Größen, die normalerweise verwendet werden, um die Pegel der Oberschwingungen im Netz zu bewerten, sind die sogenannten Harmonic Distortion Rates auf Englisch, also die Grenzwerte für die gesamte harmonische Verzerrung, wobei THDu für die Verzerrung der Spannung und THDi für die Verzerrung des Stroms steht, die den Prozentsatz der harmonischen Spannung oder des harmonischen Stroms darstellen, der aus dem RMS-Wert oder der quadratischen Summe der Werte jeder Frequenz in Bezug auf den Wert der Grundwelle berechnet wird. Wie wir sehen werden, ermöglichen uns diese Grenzwerte, den Schweregrad der harmonischen Verzerrung in unserem Netz zu bestimmen und zu entscheiden, ob Korrekturmaßnahmen angewendet werden müssen oder nicht.

Ein wichtiger zu berücksichtigender Aspekt ist, dass, wie wir festgestellt haben, es die nichtlinearen oder verzerrenden Lasten sind, die Stromoberschwingungen erzeugen, und die Tatsache, dass diese Oberschwingungsströme durch die Verteilungskabel zirkulieren, verursacht wiederum Spannungsabfälle bei unterschiedlichen Oberschwingungsfrequenzen. Dies setzt das Auftreten von harmonischen Spannungen voraus, d. h. sie verzerren die Spannung und erhöhen so den Wert des THDu-Grenzwerts. Daher sind die THDi- und THDu-Grenzwerte immer Werte, die zusammen analysiert werden müssen, wenn die Notwendigkeit besteht, ein Problem im Zusammenhang mit Oberschwingungen in unserem Stromnetz zu lösen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal von Oberschwingungen ist die Tatsache, dass sie unterschiedliche Phasenfolgen haben. Sie können direkt, invers oder homopolar sein, auch bekannt als Nullsequenz.

Der Ursprung der Probleme in den Stromnetzen

Aus praktischen Gründen sind es letztere, die den dreifachen Harmonischen entsprechen, die in Stromnetzen ein größeres Problem darstellen, da sie sich zueinander in Phase addieren. So werden sie in Stromnetzen mit 4 Adern, 3 Phasen und Neutralleiter bei einer erheblich hohen Anzahl einphasiger elektronischer Lasten (Computer oder Rechner und ähnliche Empfänger) zum Neutralleiter addiert, da sie sich nicht gegenseitig aufheben.

Wenn man daher für jede Phase ein Stromnetz mit 50 A Oberschwingungsstrom der 3. Ordnung annimmt, hat man im Neutralleiter direkt 150 A Oberschwingungsstrom der 3. Ordnung.

Dies birgt die Gefahr einer Überlastung des Neutralleiters sowohl beim Auslösen der thermischen Schutzeinrichtungen als auch beim Trennen des Neutralleiters. Dies wiederum würde aufgrund des erheblichen Ungleichgewichts der Versorgungsspannungen der Lasten, die ein solcher Fall verursachen würde, zu den ungünstigsten Situationen führen, die zu schwerwiegenden Ausfällen der zu diesem Zeitpunkt angeschlossenen Geräte aufgrund von Überspannung führen könnten.

Auch auf der Ebene der Leistungstransformatoren, die die Anlage speisen, treten in einem solchen Fall regelmäßig Probleme auf. Wenn diese zusätzlich zu dem mit der Wirkleistung verbundenen Grundschwingungsstrom nicht produktive Oberschwingungsströme liefern müssen (also Oberschwingungsströme, die nicht nutzbar sind), können ihre Verluste so hoch sein, dass sie die Qualität der gelieferten Spannung derart beeinträchtigen, sodass diese schlecht und mit hohen THDu-Werten ist. Diese Tatsache würde den Betrieb der eingespeisten Lasten beeinträchtigen. Im Extremfall würde sogar eine Übertemperatur im Leistungstransformator entstehen, die zu dessen Zerstörung führen kann.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Auswirkung, die das Vorhandensein von Oberschwingungen auf den Differentialschutz gegen Ableitströme haben kann. Um den korrekten Schutz in diesen Stromnetzen zu gewährleisten, müssen unbedingt geeignete Differentialrelais verwendet werden. In diesem Sinne ist die Verwendung von Typ-B-Differentialen für all jene Empfänger, die eine AC/DC-Wandlung in ihren Betrieb integrieren (wie z. B. Frequenzumrichter, USVs, Gleichrichter oder Ladegeräte für Elektrofahrzeuge), nicht nur unerlässlich, sondern auch obligatorisch.

In Bezug auf das Vorhandensein hoher harmonischer Verzerrungen in der Spannung im Netz können wir sie mit Problemen in Verbindung bringen, die in „empfindlichen“ elektronischen Geräten auftreten. In diesem Fall kann die schlechte Qualität der Versorgungsspannung zu Fehlfunktionen in Bezug auf „Resets“, Störungen, Rechenfehler usw. führen.

Das wohl bekannteste und häufigste Problem schließlich ist das Problem zwischen der Installation einer Kondensatorbatterie zur Kompensation induktiver Blindenergie und dem Vorhandensein von Oberschwingungen im Stromnetz.

Die Erklärung des Falles

Lassen Sie uns zunächst einmal betrachten, wie die Impedanzkurve eines Kondensators aussieht, den man „Widerstand“ nennen kann. Wie wir in Abb. 8 sehen können, ist die Impedanz umso niedriger, je höher die Frequenz ist. Und wir wissen bereits, dass die Oberschwingungen oder Harmonischen eine höhere Frequenz haben als die Grundwelle des Netzes. Daher hat der Kondensator gegenüber diesen harmonischen Frequenzen einen geringeren Widerstand. Folglich wird es für diese Ströme zu einem „Pfad mit niedriger Impedanz“. Mit anderen Worten, er neigt dazu, diese zu absorbieren, sodass in Netzen mit vorhandenen Oberschwingungen die Kondensatoren immer auf einem bestimmten Niveau überlastet sind. Und dies führt kurzfristig zu seiner Verschlechterung.

Diese Überlastung ist jedoch nicht das größte Problem, das dadurch verursacht werden kann. Das größte Problem ist vielmehr die Möglichkeit, dass ein Resonanzphänomen auftritt, was die Verstärkung der zuvor im Netz vorhandenen Oberschwingungsströme vor dem Anschluss der Kondensatorbatterie impliziert.

Dann muss man den Parameter berücksichtigen, der als Resonanzfrequenz des Systems bekannt ist (Abb. 9), der die Kurzschlussleistung am Anschlusspunkt der Kondensatorbatterie an das Netz mit der Leistung in kvarC der Batterie selbst in Beziehung setzt. Dieser Wert gibt die Ordnung der Harmonischen an, d. h., die 5., 7., 11. Ordnung usw., die verstärkt werden könnte, wenn die Kondensatoren an das Netz angeschlossen werden, was zu ihrer Verstärkung führt.

Im Beispiel von Abb. 10 erscheint eine deutliche Resonanz bei der 5. Harmonischen. Man muss nur die 5 „Spitzen“ zählen, die in einem Zyklus auftreten.

Das zu implementierende Verfahren zur Vermeidung dieses Resonanzphänomens basiert daher auf der Installation von Kondensatorbatterien mit Unterdrückungs- oder verstimmten Filtern. Diese Batterien enthalten eine Reaktanz in Reihe mit jedem Kondensator oder jeder Gruppe von Kondensatoren jeder Stufe, was in Abb. 11 an einer gelblichen Farbe zu erkennen ist. Auf diese Weise wird die Reaktanz-Kondensatorgruppe auf eine Frequenz unterhalb der ersten relevanten Harmonischen im Netz abgestimmt.

Abb. 10.  Kondensatorbatterien mit Unterdrückungs- oder verstimmten Filtern.

Wie bereits erwähnt, ist die erste relevante Harmonische im Netz in den allermeisten Fällen die dritte oder fünfte. Und die üblichen Resonanzfrequenzen sind die in Abb. 12 angegebenen (Werte bei 50 Hz/60 Hz sind angegeben).

Abb. 12

Einige Systeme, die eine 100-prozentige Blindenergiekompensation auf eine Weise garantieren, die vollständig immun gegen das Vorhandensein von Oberschwingungen im Netz ist, sind die statischen Blindleistungsgeneratoren, insbesondere die SVGm-Reihe von CIRCUTOR (Abb. 13). Diese Blindgeneratoren mit Kompensationskapazität für sowohl induktive als auch kapazitive Leistung basieren auf Leistungselektronik und stellen die technologisch fortschrittlichste Lösung für die Kosinus-Phi-Korrektur dar.

Es gibt passive Filtermöglichkeiten für Oberschwingungsströme, von denen die einfachsten Netz- oder Stoßreaktanzen sind (Abb. 14). Sie werden am Eingang von Frequenzumrichtern oder ähnlichen Lasten installiert, was zu einer gewissen Reduzierung der THDi-Werte führen kann. In der Regel reichen diese von Anfangswerten um die 40 % bis zu Endwerten von 25 %

In jedem Fall ist der Einsatz von aktiven Oberwellenfiltern der effizienteste Weg, um Oberschwingungsströme und damit auch Oberschwingungsspannungen in unserem Stromnetz zu reduzieren. Mit anderen Worten, die AFQm-Reihe von CIRCUTOR.

Ein aktiver AFQm-Filter ist in der Tat ein Generator von Oberschwingungsströmen, der auf der Grundlage der Verwendung der fortschrittlichsten Leistungselektronik und der innovativsten Steuerungssysteme in der Lage ist, Oberschwingungsströme gegenphasig zu den im Netz vorhandenen einzuspeisen, damit sie sich gegenseitig aufheben.

Unter seinen vielen Vorteilen gegenüber passiven Filtersystemen können wir seine Präzision hervorheben. Er ist in der Lage, den genauen Oberschwingungsstrom einzuspeisen, um den Strom im Netz in jeder Oberschwingung zu kompensieren, ohne von den Schwankungen der Last abhängig zu sein.

Auch seine Vielseitigkeit sticht hervor, da er neben der Filterung von Oberschwingungsströmen auch eine Blindkompensation bietet.

Die Palette der aktiven AFQm-Filter umfasst eine Reihe von Stromeinspeisungskapazitäten, die dank ihrer Modularität alle Szenarien auf der Ebene jeder elektrischen Anlage abdecken, sei es auf Industrie- oder Serviceebene. Darüber hinaus umfasst sie Betriebsspannungen von 208 VAC bis 690 VAC.

2 Lösungen: Wandtyp und Rack (Kabinett)

für Netzwerke 50/60 Hz ±5

• 4 wires 3P+N: 208 - 400 V - 525 V phase-phase
• 3 wires 3P: 230 - 480 V - 690 V phase-phase

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Qualität von Verbrauch und Versorgung→

Energieeinsparung→