Was ist der harmonische Inhalt eines VF-Steuerungs-VFD?

Als Lieferant von VF-Steuerungs-VFDs stoße ich häufig auf Fragen von Kunden zum Oberschwingungsgehalt dieser Antriebe. In diesem Blogbeitrag werde ich näher darauf eingehen, was harmonischer Inhalt ist, warum er in VF-Steuerungs-VFDs wichtig ist und wie er sich auf die Gesamtleistung Ihrer Systeme auswirkt.

Harmonische verstehen

Lassen Sie uns zunächst klären, was Harmonische sind. In einem elektrischen System ist die Grundfrequenz die Hauptfrequenz des Wechselstroms (AC), typischerweise 50 oder 60 Hz, je nach Region. Harmonische sind Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache dieser Grundfrequenz sind. Beispielsweise ist die 2. Harmonische das Doppelte der Grundfrequenz, die 3. Harmonische das Dreifache der Grundfrequenz und so weiter.

Oberwellen entstehen in elektrischen Systemen, wenn nichtlineare Lasten vorhanden sind. Bei einer nichtlinearen Last ist der entnommene Strom nicht proportional zur angelegten Spannung. VF-Control-VFDs fallen in diese Kategorie. Wenn ein Frequenzumrichter den eingehenden Wechselstrom in Gleichstrom und dann zurück in Wechselstrom mit variabler Frequenz umwandelt, führt er zu Nichtlinearitäten in der Stromwellenform, die wiederum Oberschwingungen erzeugen.

Die Erzeugung von Harmonischen in VF-Steuerungs-VFDs

VF-Steuerungs-VFDs verwenden leistungselektronische Geräte wie Dioden, Thyristoren und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs). Diese Geräte schalten den elektrischen Strom bei hohen Frequenzen ein und aus, um die Ausgangsspannung und -frequenz zu steuern. Während des Schaltvorgangs weicht der Stromverlauf von einer reinen Sinuswelle ab, was zur Entstehung von Oberwellen führt.

Der Gleichrichterabschnitt eines Frequenzumrichters, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, ist eine Hauptquelle für Oberschwingungen. Die meisten VFDs verwenden einen Sechspuls-Gleichrichter, der erhebliche Mengen an 5., 7., 11. und 13. Harmonischen erzeugt. Je höher die Ordnung der Harmonischen ist, desto geringer ist ihre Amplitude, aber selbst diese Harmonischen mit niedrigerer Amplitude können Auswirkungen auf das System haben.

Warum harmonische Inhalte wichtig sind

Der Oberwellengehalt in einem VF-Steuerungs-VFD kann mehrere negative Auswirkungen auf das elektrische System und die angeschlossenen Geräte haben:

1. Überhitzung der Ausrüstung

Oberwellen verursachen eine zusätzliche Erwärmung elektrischer Geräte wie Transformatoren, Motoren und Kabel. Der zusätzliche Strom aufgrund von Oberschwingungen erhöht die Widerstandsverluste (I²R-Verluste) in diesen Komponenten. Im Laufe der Zeit kann dies zu einer vorzeitigen Alterung der Isolierung, einer verkürzten Lebensdauer der Geräte und sogar zu einem Geräteausfall führen.

2. Spannungsverzerrung

Oberschwingungen können Spannungsverzerrungen im elektrischen System verursachen. Wenn die Stromwellenform aufgrund von Oberschwingungen verzerrt wird, entsteht ein Spannungsabfall an der Systemimpedanz. Dieser Spannungsabfall enthält harmonische Komponenten, die die Leistung anderer empfindlicher Geräte beeinträchtigen können, die an dieselbe Stromversorgung angeschlossen sind. Beispielsweise kann es bei Computern, Kommunikationsgeräten und anderen elektronischen Geräten aufgrund von Spannungsverzerrungen zu Fehlfunktionen kommen.

3. Beeinträchtigung anderer Geräte

Oberwellen können auch elektromagnetische Störungen (EMI) bei anderen elektrischen und elektronischen Geräten verursachen. Die hochfrequenten Komponenten der Oberschwingungen können elektromagnetische Energie abstrahlen, die den normalen Betrieb von Geräten in der Nähe wie Funkempfängern, Sensoren und Steuerungssystemen beeinträchtigen kann.

Messung des harmonischen Gehalts

Zur Beurteilung des Oberwellengehalts in einem VF-Steuerungs-VFD werden üblicherweise mehrere Parameter verwendet:

1. Totale harmonische Verzerrung (THD):

THD ist ein Maß für die Gesamtverzerrung der Strom- oder Spannungswellenform aufgrund von Oberschwingungen. Er wird als Prozentsatz ausgedrückt und stellt das Verhältnis des Effektivwerts (RMS) aller harmonischen Komponenten zum Effektivwert der Grundkomponente dar. Ein niedrigerer THD-Wert weist auf eine sauberere Wellenform mit weniger harmonischer Verzerrung hin.

2. Individuelle harmonische Amplituden:

Neben dem THD ist es auch wichtig, die Amplituden einzelner Harmonischer zu messen. Dies hilft bei der Identifizierung der spezifischen Oberwellen, die Probleme verursachen, und bei der Festlegung geeigneter Abhilfemaßnahmen.

Harmonische Inhalte mildern

Als VF Control VFD-Lieferant bieten wir verschiedene Lösungen zur Reduzierung des Oberschwingungsgehalts in unseren Antrieben an:

1. Passive Filter

Passive Filter sind die gebräuchlichste Methode zur Oberschwingungsminderung. Diese Filter bestehen aus Induktivitäten, Kondensatoren und Widerständen, die in einer bestimmten Konfiguration verbunden sind, um die Oberschwingungsströme zu absorbieren oder zu blockieren. Passive Filter können so konzipiert werden, dass sie auf bestimmte Oberwellen abzielen oder den Gesamt-THD reduzieren.

2. Aktive Filter

Aktive Filter sind fortschrittlicher und können im Vergleich zu passiven Filtern eine bessere Oberwellendämpfung bieten. Diese Filter nutzen Leistungselektronik, um einen Ausgleichsstrom zu erzeugen, dessen Größe dem Oberschwingungsstrom entspricht, dessen Phase jedoch entgegengesetzt ist. Dadurch wird der Oberschwingungsstrom im System effektiv aufgehoben.

3. Multi-Puls-Gleichrichter

Anstelle eines standardmäßigen Sechspuls-Gleichrichters können Mehrpuls-Gleichrichter wie 12-Puls- oder 18-Puls-Gleichrichter verwendet werden. Diese Gleichrichter reduzieren den Oberwellengehalt, indem sie die Anzahl der Impulse im Gleichrichtungsprozess erhöhen, was zu einer saubereren Gleichspannung und geringeren Oberwellenströmen führt.

VFD Variable Frequency Drive Variable Frequency Motor Controllers

Auswirkungen auf die Systemleistung

Der Oberwellengehalt in einem VF-Steuerungs-VFD kann die Leistung des gesamten Systems erheblich beeinflussen. Durch die Reduzierung des Oberwellengehalts können wir die Effizienz des elektrischen Systems verbessern, den Energieverbrauch senken und die Zuverlässigkeit angeschlossener Geräte erhöhen. Beispielsweise läuft ein Motor, der mit einer saubereren Stromversorgung (geringerer Oberwellengehalt) betrieben wird, ruhiger, mit weniger Vibrationen und Geräuschen und hat eine längere Lebensdauer.

Anwendungen und Überlegungen

VF-Control-VFDs werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Industriemaschinen, HVAC-Systeme und Systeme für erneuerbare Energien. Bei jeder Anwendung muss der harmonische Gehalt sorgfältig berücksichtigt werden. Beispielsweise kann in einem sensiblen Industrieprozess bereits eine geringe harmonische Verzerrung zu Problemen mit der Produktqualität führen. In einem HVAC-System kann ein hoher Oberwellengehalt zu einem erhöhten Energieverbrauch und einem vorzeitigen Geräteausfall führen.

Bei der Auswahl eines VF-Steuerungs-VFD für eine bestimmte Anwendung ist es wichtig, die harmonischen Anforderungen des Systems zu berücksichtigen. Einige Anwendungen erfordern möglicherweise einen VFD mit einem sehr niedrigen THD, während andere möglicherweise toleranter gegenüber harmonischen Verzerrungen sind. Unser Expertenteam kann Ihnen bei der Auswahl der richtigen VFD- und Oberschwingungsminderungslösung für Ihre spezifischen Anforderungen helfen.

Kontakt für Kauf und Beratung

Wenn Sie den Kauf eines VF Control VFD in Betracht ziehen oder weitere Informationen zur Oberschwingungsminderung benötigen, empfehlen wir Ihnen, sich an uns zu wenden. Unser erfahrenes Vertriebsteam kann Ihnen detaillierte Produktinformationen und technischen Support bieten und Sie beim Beschaffungsprozess unterstützen. Ob Sie ein kleines Projekt oder eine große industrielle Anwendung haben, wir haben die richtigen Lösungen für Sie.

Referenzen

„Stromqualität in elektrischen Systemen“ von Math HJ Bollen
„Antriebe mit variabler Frequenz: Auswahl, Anwendung und Wartung“ von Dan M. Ionel und Giri K. Venkataramanan