So lösen Sie Oberschwingungsprobleme an der Quelle

Ein gewöhnlicher Frequenzumrichter (VFD) erzeugt Oberschwingungen sowohl am Eingang als auch am Ausgang. Auf der Motorseite (Ausgangsseite) emuliert der VFD eine Sinuswelle mit einem pulsweitenmodulierten (PWM) Signal. Der Unterschied zwischen den beiden Signalen ist in Bild 1 dargestellt. Das PWM-Signal liegt irgendwo zwischen einer Rechteckwelle und einer reinen Sinuswelle. Der quadratische Charakter des PWM-Signals ergibt sich aus der begrenzten Schaltfrequenz der integrierten Gate-Bipolartransistoren (IGBT), die üblicherweise in gewöhnlichen VFDs verwendet werden. Oberwellen sind ein unvermeidliches und unglückliches Nebenprodukt eines PWM-Signals.

Ähnlich verhält es sich auf der Netzseite (Eingangsseite) des VFD. Die in gewöhnlichen VFDs verwendete Diodenbrückenarchitektur zieht den Strom nichtlinear an der Spitze der Spannungswellenform. Die resultierende Stromwellenform (Bild 2) ist reich an Oberwellen, die sich zurück in das Stromverteilungsnetz ausbreiten. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein gewöhnlicher 6-Puls-Frequenzumrichter sowohl auf der Netzseite als auch auf der Motorseite des Frequenzumrichters eine Gesamtstromverzerrung (THDi) im Bereich von 80 % erzeugt.

Per Definition treten Harmonische bei ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz auf. Beispielsweise treten bei einem 60-Hertz-System (Hz) Harmonische bei der zweiten – 120 Hz, der dritten – 180 Hz, der vierten – 240 Hz, der fünften – 300 Hz usw. auf. Jede Harmonische kann weiter in positive Sequenz, negative Sequenz und Null kategorisiert werden Sequenzkomponenten. Positive Harmonische (Vierte, Siebte, Zehnte, Dreizehnte, Neunzehnte usw.) haben den gleichen Rotationsvektor wie die Grundfrequenz. Wie der Name schon sagt, rotieren Harmonische der Gegenfolge (zweite, fünfte, achte, elfte, vierzehnte usw.) in die entgegengesetzte Richtung wie die Grundschwingung. Nullsequenzkomponenten (dritte, sechste, neunte, zwölfte, fünfzehnte usw.) haben keinen Rotationsvektor.

Die Tatsache, dass der Motorausgang eines gewöhnlichen Frequenzumrichters Oberwellen enthält, bedeutet, dass der gesamte quadratische Mittelwert (RMS) des Motors deutlich höher ist als der Grundstrom. Dieser Überstrom äußert sich in erhöhten Kupfer- und Kernverlusten (Eisen), die wiederum die Wärme im Motor selbst erhöhen. Kurzfristig kann überschüssige Wärme zu thermischen Fehlauslösungen führen und den Betrieb direkt beeinträchtigen. Langfristig führt die überschüssige Wärme zu einer Verschlechterung der Motorisolierung, was zu einem vorzeitigen Ausfall führt.

Bedenken hinsichtlich Oberschwingungen beschränken sich nicht nur auf überschüssigen Effektivstrom. Die hohe Spannungsänderungsgeschwindigkeit (dv/dt), die durch harmonisch induzierte Wirbelströme erzeugt wird, kann zu Lichtbögen sowohl zwischen den einzelnen Motorwicklungen als auch zwischen den Lagern und der Lagerlaufbahn führen. Ersteres führt zu einer Verschlechterung der Motorisolierung, während letzteres Lagerfraß und Schmiermittelschäden verursacht. Die relative Größe einzelner Harmonischer kann einen Einfluss auf die Motorleistung und Langlebigkeit haben. Wie oben erwähnt, wirken Gegensystem-Oberschwingungen in entgegengesetzter Richtung zur Grundschwingung, wodurch die Gefahr besteht, dass der Rotor durch große Wirbelströme erhitzt wird.

Darüber hinaus kann die Wechselwirkung zwischen benachbarten positiven und negativen harmonischen Strömen ein pulsierendes Drehmoment und mechanische Schwingungen erzeugen, was die Betriebseffizienz verringert. Ähnlich wie bei Motoren bedeutet das Vorhandensein von Oberschwingungen in einem elektrischen Verteilungssystem, dass die Leiter innerhalb der Anlage überdimensioniert werden müssen, was zusätzliche Kapitalkosten erfordert und die Möglichkeiten für spätere Erweiterungen und Neukonfigurationen einschränkt. Andere an das Stromnetz angeschlossene Geräte können übermäßiger Erwärmung, vorzeitigem Verschleiß und vorzeitigem Ausfall ausgesetzt sein.

Die Einzelheiten hängen von der Art der Ausrüstung ab. Beispiele hierfür sind übermäßige Erwärmung in Transformatoren, sichtbares Flackern bei Beleuchtungslasten oder Schäden an empfindlichen Lasten. Energieversorger sind sich der negativen Auswirkungen übermäßiger Oberschwingungen auf ihre Verteilungsnetze bewusst. Die meisten verlangen, dass Benutzer die im Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 519 festgelegten Grenzwerte einhalten, wonach der THDi am Punkt der gemeinsamen Kopplung 5 % nicht überschreiten darf. Wer sich nicht daran hält, muss mit Geldstrafen rechnen.

Angesichts der vielen Probleme, die mit einem hohen THDi verbunden sind, haben Hersteller Möglichkeiten entwickelt, ihre Auswirkungen auf Motoren und das Stromnetz zu mildern. All diese Abhilfemaßnahmen gehen jedoch mit höheren Kapitalinvestitionen, einer verringerten Systemeffizienz, einem größeren physischen Platzbedarf und laufenden Wartungskosten einher.

Beispielsweise reduziert ein zwischen einem Frequenzumrichter und einem Motor installierter Sinusfilter Oberschwingungen (beseitigt sie jedoch nicht) und hilft so, die oben beschriebene Art von Schaden zu mildern. Ebenso reduziert die Installation einer Netzdrossel oder eines passiven Filters zwischen einem Frequenzumrichter und dem Stromverteilungsnetz den in das Netz abgegebenen Oberwellengehalt.

Leider reduzieren Netzdrosseln den THDi nur von 80 % auf 40 %, was nicht ausreicht, um die in IEEE 519 festgelegte Anforderung von 5 % zu erfüllen. Ein passiver Oberschwingungsfilter kann die IEEE 519-Grenze erfüllen, vorausgesetzt, er ist richtig abgestimmt und gut gewartet. allerdings wiederum auf Kosten von Platz, Zeit, Systemeffizienz und laufender Wartung.

Im Allgemeinen ist es besser, ein Problem an der Quelle zu beseitigen, als es im Nachhinein zu beheben. Ein VFD mit einem niedrigen THDi sowohl am Eingang als auch am Ausgang macht die kostspieligen und komplexen Abhilfemaßnahmen, die bei herkömmlichen Antrieben erforderlich sind, überflüssig.

Vor Kurzem haben einige Laufwerkshersteller damit begonnen, die neue Generation der Wide-Bandgap-Halbleitertechnologie (WBG), nämlich Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), zu nutzen, um dieser Herausforderung zu begegnen. WBG-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) ermöglichen eine dramatische Steigerung der Schaltrate über die herkömmlicher IGBTs hinaus. Beim Einsatz in einer Active Front End (AFE)-Architektur erfüllt der THDi an dieser Art von Antriebseingängen die 5 %-Grenze gemäß IEEE 519.

Ebenso reduziert der echte Sinuswellenausgang auf der Motorseite den Motorverschleiß. Zu den weiteren Vorteilen WBG-basierter Antriebe gehören eine verbesserte Antriebs- und Systemeffizienz, eine kleinere Installationsgröße, eine längere Motorlebensdauer mit einem kostengünstigeren Allzweckmotor, keine Filterwartung, einfache Skalierung, geringere Gesamtinstallationskosten und eine geringere Systemkomplexität.

Geoff Hyatt ist Direktor für Projektmanagement und Lieferkette bei SmartD Technologies. Er ist seit mehr als 25 Jahren in verschiedenen Funktionen in der Stromverteilungsbranche tätig, unter anderem an der Entwicklung von Lösungen zur Überwachung der Stromqualität und zur Einhaltung von Standards wie EN 50160 und IEEE 5100-4-30. Weitere Informationen finden Sie unter smartd.tech.