Einführung in Oberschwingungen:Teil 2

Im zweiten Teil dieser Miniserie befasst sich Colin Hargis mit dem effektiven Management von Oberschwingungen. Teil 1 ist hier verfügbar.

Oberschwingungsmessungen

Einzelne Oberschwingungsströme oder -spannungen können gemessen und in Effektivwerten angegeben werden. Mengen. Oft können sie als Prozentsatz der Grundfrequenz ausgedrückt werden. Es ist sehr üblich, dass Messgeräte für Oberschwingungen Oberschwingungen standardmäßig in Prozent angeben.

Bei der Bewertung von Oberschwingungsdaten, insbesondere Stromdaten, ist Vorsicht geboten. Wenn der Grundschwingungsstrom niedrig ist, weil die Lastleistung niedrig ist, erscheinen die prozentual ausgedrückten Oberschwingungen hoch. Dies kann irreführend sein. Die für den Antrieb bereitgestellten Daten liegen bei einer definierten Lastleistung vor. Bei reduzierter Last verringern sich die Oberschwingungsströme im absoluten Wert, aber in Prozent der Grundschwingung nehmen sie zu.

Dies ist in Abbildung 7 dargestellt. Abbildung 7(a) zeigt, wie der Strom und die Hauptharmonischen wie die 5 ^te und 11 ^th mit zunehmender Leistung zunehmen. Abbildung 7(b) zeigt, wie die Hauptharmonischen und der THD, ausgedrückt als Prozentsatz der Grundwelle, mit zunehmender Lastleistung abfallen.

Abbildung 7:Variation von Strom und Oberschwingungen mit der Lastleistung, ausgedrückt als (a) absolute Größen und (b) % des Grundstroms

Bei einem Antrieb kann dies besonders irreführend sein, wenn dem Anwender nicht bewusst ist, dass der Eingangsstrom eine Funktion der Leistung ist, also dem Produkt aus Drehmoment und Drehzahl an der Welle. Wenn ein Antrieb Nenndrehmoment bei reduzierter Drehzahl liefert, kann es so aussehen, als würde er „hart arbeiten“, da der Ausgangsstrom nahe an seiner maximalen Nennleistung liegt und die Wechselrichterstufe diesen Strom führt und die erwartete Verlustleistung als Wärme erzeugt. Der tatsächliche Leistungsdurchsatz ist jedoch gering, und daher ist auch der Eingangsstrom gering.

THD, VTHD, ITHD, Verzerrungsfaktor und Leistungsfaktor

Ein einfacher einzelner Parameter zur Messung der Gesamtwirkung von Oberschwingungen ist die Total Harmonic Distortion, THD. Dies ist das Verhältnis (in %) zwischen dem R.M.S. Wert aller Harmonischen zusammen und der Grundwelle. Für Spannung und Strom kann es als VTHD bzw. ITHD bezeichnet werden.

Auch bei ITHD ist Vorsicht geboten, da es bei reduzierter Belastung hoch erscheint.

In der Energietechnik wird der Leistungsfaktor üblicherweise verwendet, um die Verringerung der Nutzleistung zu messen, die von einem Wechselstrom übertragen wird, wenn er nicht in Phase mit der Spannung ist.

Wenn Strom und Spannung sinusförmig sind, ist dies gleich cos o.

Bei Vorhandensein von Oberschwingungsströmen und unter der Annahme, dass die Spannung sinusförmig bleibt, kann der Leistungsfaktor in zwei Faktoren zerlegt werden:

Wobei der Klirrfaktor die durch Verzerrung verursachte Reduzierung des Nutzstroms misst:

Und der Verschiebungsfaktor misst die durch die Phasenverschiebung verursachte Reduzierung:

Die Bedeutung dieser Faktoren kann veranschaulicht werden, indem ein Motor betrachtet wird, der entweder direkt von der Stromleitung oder mit einem Antrieb betrieben wird:

Der Motor hat also in beiden Fällen einen sehr ähnlichen Leistungsfaktor, was bedeutet, dass der aus dem Netz entnommene Volllaststrom sehr ähnlich ist. Beim Motor allein ist der erhöhte Strom jedoch vollständig darauf zurückzuführen, dass der Strom der Spannung in Phase nacheilt, während dies beim Motor und Frequenzumrichter hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass Oberwellenströme vorhanden sind.

Verzerrungsfaktor und Klirrfaktor sind alternative Maße des Verzerrungspegels oder der Gesamtharmonischen. Sie sind durch die folgende Funktion verbunden:

(wobei THD als Bruch ausgedrückt wird, nicht als Prozent)

Verwaltung von Oberschwingungen. Oberschwingungsstromdaten für Produkte.

Die Stromversorgungsunternehmen erlassen Vorschriften, um das Stromsystem und die Stromverbraucher vor übermäßigen Oberschwingungen zu schützen. Jeder Power User ist dafür verantwortlich, dass er die Regeln einhält. In einigen Regionen wie der Europäischen Union ist die Emission von Oberwellen von Elektroprodukten, die in großer Zahl verwendet werden, im Rahmen des EMV-Gesetzes geregelt. Das bedeutet, dass Privatanwender und kleine Unternehmen keine besonderen Vorkehrungen treffen müssen. Große industrielle Anwender von Spezialgeräten müssen selbst sicherstellen, dass ihre Oberschwingungsemission nicht zu hoch ist. Am häufigsten werden die Regeln angewendet, wenn eine neue Installation vorgeschlagen wird, die eine neue Stromversorgung vom Versorgungsunternehmen als Bedingung für die Bereitstellung dieser Versorgung erfordert.

Die Regeln variieren von Land zu Land, aber die Prinzipien sind die gleichen. Die wichtigsten Phasen sind hier dargestellt:

• Der Energieversorger muss letztendlich sicherstellen, dass die Oberschwingungsspannung in seiner Versorgung das akzeptable Niveau erreicht. Beispielsweise wird in der EU die Stromqualität durch eine Norm EN 50160 geregelt. Im Allgemeinen weist sie jedem Benutzer ein „Budget“ für die Oberschwingungsspannung zu. Wie bereits erläutert, wird die Oberschwingungsspannung durch die Wechselwirkung des Oberschwingungsstroms mit der Versorgungsimpedanz und den vorhandenen Oberschwingungen verursacht, die für jeden Standort einzigartig sind. Es erfordert einige komplexe Berechnungen und Messungen, die es vorhersagen, was für typische Industrieanlagen nicht vertretbar ist.
• Daher hat der Energieversorger im Allgemeinen einige vereinfachte Regeln, die es zulassen, dass Oberschwingungsströme bis zu einer Grenze akzeptiert werden, die von der Kapazität des Versorgungsanschlusses oder dem Spitzen- oder Durchschnittsstrombedarf des Benutzers abhängen kann. Es ist viel einfacher, den Strom als die Spannung abzuschätzen, indem die Oberschwingungsstromdaten für alle relevanten Geräte, die an einem bestimmten Versorgungspunkt angeschlossen sind, addiert werden. Aus diesem Grund müssen professionelle Geräte wie Antriebe, die erhebliche Oberschwingungsströme erzeugen, dem Benutzer die Oberschwingungsstromdaten zur Verfügung stellen. Control Techniques stellt diese Daten für alle seine Antriebsprodukte in den EMV-Datenblättern zur Verfügung, die auf Anfrage kostenlos erhältlich sind.
• Wenn der Strom für eine bestimmte Installation die zulässigen Grenzwerte überschreitet, müssen entweder technische Maßnahmen ergriffen werden, um ihn zu reduzieren, oder es muss eine komplexere Untersuchung durchgeführt werden, um die durch die Installation verursachte Oberschwingungsspannung zu bewerten.
• Wenn die gesamte Ausrüstung harmonisierten Standards in einem einzigen Markt wie der EU entspricht, ist keine der oben beschriebenen Arbeiten erforderlich.

Standards

Für Installationen haben viele Energieversorger ihre eigenen Vorschriften, daher gibt es sehr viele nationale Standards. Ein besonders bekannter Standard ist IEEE 519.

Zu den Netzqualitätsnormen gehört IEC 61000-2-4, die „Kompatibilitätspegel“ definiert, bei denen es sich um maximal zulässige Oberschwingungspegel handelt, in diesem Fall für industrielle Niederspannungsversorgungen. IEC-Normen sind nicht obligatorisch, aber Versorgungsunternehmen verwenden häufig die in den IEC-Normen angegebenen Grenzwerte als Ausgangspunkt für ihre eigenen Vorschriften.

Für Endprodukte gibt es die IEC-Normen IEC 61000-3-2 für Geräte mit einer Nennleistung von bis zu 16 A pro Phase und IEC 61000-3-12 für bis zu 75 A pro Phase. Die europäischen Versionen wie EN 61000-3-12 sind faktisch verbindlich für Endprodukte, die im EWR auf den Markt gebracht werden.

Wenn ein Frequenzumrichter in ein Gerät eingebaut ist, das in den Anwendungsbereich einer dieser Normen fällt, trägt er höchstwahrscheinlich wesentlich zur Oberschwingungsemission bei. Für Antriebe von Control Techniques ist es notwendig, kleine zusätzliche Eingangsdrosseln zu verwenden, um EN 61000-3-12 zu erfüllen. Informationen sind den EMV-Datenblättern zu entnehmen.

Lastwirkung

Ein häufig auftretendes Problem bei der Überprüfung der Oberschwingungskonformität von Maschinen mit Antrieben ist die Frage der korrekten Nennlastleistung. Wir haben Beschwerden über Produkte erhalten, die den Test nicht bestanden haben, bei denen sich herausstellte, dass die Testlast geringer war als die Nennlast. Dies kann daran liegen, dass die Anwendung nicht die volle Leistungsfähigkeit des Antriebs ausnutzt oder dass die Maschine im EMV-Testlabor nicht voll belastet werden konnte. Es ist oft schwierig, in einem Testlabor eine realistische Belastung zu erzeugen, da Maschinen oft dazu bestimmt sind, große, schmutzige oder schwierige Materialien zu bearbeiten, die nicht in das Labor gebracht werden können. Um sicherzustellen, dass der geforderte Standard erfüllt wird, müssen folgende Anforderungen eingehalten werden:

1. Die zusätzlichen Eingangsdrosseln müssen so ausgewählt werden, dass sie bei der beabsichtigten maximalen Dauerlastleistung für die Anwendung korrekt sind, was nicht unbedingt die Antriebsleistung ist.
2. Alle anderen oberschwingungserzeugenden Geräte in der Maschine müssen berücksichtigt werden.
3. Die Belastung während des Tests muss gleich der Nennlast sein. Gegebenenfalls muss im Prüfstand eine Art temporäre Bremse oder sonstige Belastungsvorrichtung vorgesehen werden.

Oberwellen reduzieren

Der natürliche Pegel der von einem einfachen Gleichrichter erzeugten Oberschwingungen kann durch Hinzufügen einer Induktivität stark reduziert werden. Dies kann im DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters oder in den AC-Eingangsleitungen erfolgen. Die meisten Antriebe mit einer Nennleistung von über 2,2 kW verwenden eine dreiphasige Versorgung und enthalten Drosseln, um die Induktivität bereitzustellen. Bild 8 zeigt einen typischen Stromverlauf für diese Antriebsart. Sie können sehen, dass die Wellenform viel besser ist als in Abbildung 1, obwohl sie weit von einer Sinusform entfernt ist. In diesem Fall liegt die ITHD bei etwa 50 % und die schlechteste Harmonische ist die fünfte bei etwa 40 %.

Abbildung 8:Typische Wellenform des Eingangsstroms für Antriebe mit dreiphasiger Versorgung und Eingangsdrosseln.

Dieser Oberschwingungspegel ist für die meisten Anwendungen in einem Leistungsbereich von 3 kW bis zu mehreren hundert Kilowatt geeignet. Bei empfindlichen Anwendungen und wenn die gesamte Antriebsleistung beginnt, sich der Kapazität der Versorgung zu nähern, kann es erforderlich sein, weitere Reduzierungen der Oberschwingungen vorzunehmen. Die folgende Tabelle enthält die wichtigsten verfügbaren Techniken mit einigen Anmerkungen zu ihren relativen Vorteilen.

Schwingende Chokes

Die Verwendung eines „schwingenden Chokes“ wurde von einigen Antriebsherstellern propagiert. Die Schwingdrossel ist eine Erfindung aus den 1920er Jahren, wo sie in einigen Funkgeräten zur Gleichstromglättung eingesetzt wurde. Die Drossel ist mit einem gestuften oder profilierten Luftspalt ausgeführt, so dass mit zunehmendem Gleichstrom ein Teil des Magnetkreises in Sättigung geht und die Induktivität abnimmt. Das Ergebnis ist, dass bei niedrigen Strömen die Induktivität erhöht wird, und dies hilft, dem oben beschriebenen Problem entgegenzuwirken, Oberschwingungsgrenzen über einen Bereich von Lastleistungen zu erfüllen. Denn der Induktivitätswert passt sich der Last an.

Die Schwingdrossel kann dem Antriebshersteller zugute kommen, da dadurch der Bestand an unterschiedlichen Drosselwerten für verschiedene Antriebsleistungen reduziert werden kann. Dies kann dem Benutzer zugute kommen, indem es dem Antrieb ermöglicht wird, einen Oberschwingungsstandard bei reduzierter Last zu erfüllen, ohne dass eine zusätzliche Drossel erforderlich ist. In der Praxis ist es ziemlich schwierig, eine Schwingdrossel zu konstruieren, die über einen großen Lastbereich funktioniert, daher sind die wirklichen Vorteile gering.