Fortgeschrittenes Oberschwingungsmanagement: Teil 2 – Effektive Strategien & Messungen

Im zweiten Teil dieser Miniserie betrachtet Colin Hargis das effektive Management von Oberschwingungen. Teil 1 ist hier verfügbar.

Oberschwingungsmessungen

Einzelne Oberschwingungsströme oder -spannungen können in Effektivwerten gemessen und angegeben werden. Oft werden sie als Prozentsatz der Grundschwingung ausgedrückt. Es ist sehr üblich, dass Oberschwingungsmessgeräte standardmäßig Harmonische als Prozentsatz anzeigen.

Bei der Bewertung von Oberschwingungsdaten, besonders Stromdaten, ist Vorsicht geboten. Wenn der Grundstrom gering ist, weil die Lastleistung niedrig ist, erscheinen die Oberschwingungen als Prozentsatz hoch. Das kann irreführend sein. Die Daten für den Umrichter werden bei definierter Lastleistung angegeben. Bei reduzierter Last sinken die Oberschwingungsströme im Absolutwert, steigen aber als Prozentsatz des Grundstroms.

Dies wird in Abbildung 7 veranschaulicht. Abbildung 7(a) zeigt, wie Strom und Haupt-Oberschwingungen (5., 11.) mit steigender Leistung zunehmen. Abbildung 7(b) zeigt, wie die Haupt-Oberschwingungen und der THD, als Prozentsatz des Grundstroms ausgedrückt, bei steigender Lastleistung fallen.

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

In einem Umrichter kann dies besonders irreführend sein, wenn der Anwender nicht erkennt, dass der Eingangsstrom eine Funktion der Leistung ist – also das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl an der Welle. Liefert ein Umrichter Nennmoment bei reduzierter Drehzahl, mag er „hart arbeiten“, weil der Ausgangsstrom nahe am Maximum liegt und die Inverterstufe diesen Strom führt und den erwarteten Leistungsverlust als Wärme erzeugt. Die tatsächliche Durchgangsleistung ist jedoch gering, und damit auch der Eingangsstrom.

THD, VTHD, ITHD, Klirrfaktor und Leistungsfaktor

Ein einfacher Einzelparameter zur Messung des Gesamteffekts von Oberschwingungen ist der Gesamtharmonische Klirrfaktor (Total Harmonic Distortion, THD). Dies ist das Verhältnis (in %) zwischen dem Effektivwert aller Oberschwingungen zusammen und der Grundschwingung. Für Spannung und Strom wird er als VTHD und ITHD bezeichnet.

Auch bei ITHD ist Vorsicht geboten, da er bei reduzierter Last hoch erscheint.

In der Energietechnik wird der Leistungsfaktor häufig genutzt, um die Reduktion der nutzbaren Leistung durch einen Wechselstrom zu messen, wenn er nicht in Phase mit der Spannung ist.

Bei sinusförmigen Strom und Spannung ist dies gleich cos φ.

Bei Vorhandensein von Oberschwingungsstrom und unter Annahme, dass die Spannung sinusförmig bleibt, lässt sich der Leistungsfaktor in zwei Faktoren zerlegen:

Leistungsfaktor = Klirrfaktor × Verschiebungsfaktor

Wobei der Klirrfaktor die Reduktion des nutzbaren Stroms durch Verzerrung misst:

Klirrfaktor = 1 / √(1 + THD²)

Und der Verschiebungsfaktor die Reduktion durch Phasenverschiebung misst:

Verschiebungsfaktor = cos φ

Die Bedeutung dieser Faktoren lässt sich am Beispiel eines Motors veranschaulichen, der entweder direkt am Netz oder mit Umrichter betrieben wird:

Der Motor hat in beiden Fällen einen sehr ähnlichen Leistungsfaktor, was bedeutet, dass der vom Netz bezogene Volllaststrom sehr ähnlich ist. Ohne Umrichter ist der erhöhte Strom jedoch rein dadurch bedingt, dass der Strom der Spannung phasenweise nachhinkt, während mit Umrichter dies hauptsächlich durch Oberschwingungsstrom verursacht wird.

Klirrfaktor und THD sind alternative Maße für den Verzerrungsgrad. Sie sind durch folgende Funktion verknüpft:

Klirrfaktor = 1 / √(1 + THD²)

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

Management von Oberschwingungen. Oberschwingungsstromdaten für Produkte.

Stromversorgungsunternehmen betreiben Regeln zum Schutz des Stromnetzes und der Stromnutzer vor übermäßigen Oberschwingungen. Jeder Stromnutzer ist verantwortlich für die Einhaltung der Regeln. In manchen Regionen wie der EU wird die Emission von Oberschwingungen von elektrischen Produkten, die in großer Stückzahl verwendet werden, als Teil des EMV-Rechts reguliert. Das bedeutet, dass Haushalte und kleine Gewerbebetriebe keine besonderen Vorkehrungen treffen müssen. Große Industrieanwender von Spezialgeräten müssen selbst sicherstellen, dass ihre Oberschwingungsemission nicht übermäßig ist. Meist werden die Regeln angewendet, wenn eine neue Installation einen neuen Netzanschluss vom Versorger erfordert, als Bedingung für die Bereitstellung dieses Anschlusses.

Die Regeln variieren zwischen Ländern, die Prinzipien sind jedoch dieselbe. Die wichtigsten Schritte:

• Der Netzbetreiber muss letztlich sicherstellen, dass die Oberschwingungsspannung in seinem Netz den akzeptablen Pegel einhält. In der EU wird die Netzqualität durch EN 50160 geregelt. Generell weist er jedem Nutzer ein Oberschwingungsspannungs-„Budget“ zu. Wie erklärt, entsteht die Oberschwingungsspannung durch den Oberschwingungsstrom in Wechselwirkung mit der Netzimpedanz und den bestehenden Oberschwingungen, die für jeden Standort einzigartig sind. Dies erfordert komplexe Berechnungen und Messungen zur Vorhersage, was für typische Industrieinstallationen nicht gerechtfertigt ist.
• Daher haben Versorger meist vereinfachte Regeln, die Oberschwingungsströme bis zu einem Grenzwert akzeptieren, der von der Anschlusskapazität oder dem Spitzen-/Mittelstrombedarf des Nutzers abhängen kann. Es ist viel einfacher, Strom als Spannung zu schätzen, indem man die Oberschwingungsstromdaten aller relevanten Geräte an einem bestimmten Netzanschlusspunkt addiert. Deshalb müssen professionelle Geräte wie Umrichter, die signifikante Oberschwingungsströme erzeugen, ihre Oberschwingungsstromdaten dem Nutzer zur Verfügung stellen. Control Techniques stellt diese Daten für alle Umrichterprodukte in den EMV-Datenblättern frei auf Anfrage bereit.
• Für eine gegebene Installation: Wenn der Strom die erlaubten Grenzwerte überschreitet, müssen entweder technische Maßnahmen zur Reduzierung ergriffen werden, oder eine komplexere Untersuchung zur Bewertung der durch die Installation verursachten Oberschwingungsspannung muss durchgeführt werden.
• Unterdessen ist, wenn alle Geräte harmonisierte Standards in einem Markt wie der EU erfüllen, keine der oben beschriebenen Arbeiten notwendig.

Normen

Für Installationen betreiben viele Versorger eigene Vorschriften, sodass es sehr viele nationale Standards gibt. Ein besonders bekannter Standard ist IEEE 519.

Netzqualitätsnormen umfassen IEC 61000-2-4, die „Verträglichkeitspegel“ definiert – maximal erlaubte Oberschwingungspegel für industrielle NS-Netze. IEC-Normen sind nicht verbindlich, aber Versorger nutzen die Grenzwerte in IEC-Normen oft als Ausgangspunkt für eigene Vorschriften.

Für Endprodukte gibt es IEC-Normen IEC 61000-3-2 für Geräte bis 16 A pro Phase und IEC 61000-3-12 für bis 75 A pro Phase. Die europäischen Versionen wie EN 61000-3-12 sind faktisch verbindlich für Endprodukte, die in den EWR in Verkehr gebracht werden.

Wenn ein Umrichter in ein Gerät eingebaut ist, das in den Geltungsbereich einer dieser Normen fällt, ist er wahrscheinlich ein Hauptbeitrag zur Oberschwingungsemission. Für Control-Technics-Umrichter sind kleine zusätzliche Eingangsrosseln nötig, um EN 61000-3-12 zu erfüllen. Informationen dazu in den EMV-Datenblättern.

Einfluss der Last

Ein häufiges Problem bei der Prüfung der Oberschwingungskonformität von Maschinen mit Umrichtern ist die korrekte Nennlastleistung. Es gab Beschwerden über Produkte, die den Test nicht bestanden, wobei sich herausstellte, dass die Testlast unter der Nennlast lag. Dies kann daran liegen, dass die Anwendung die volle Umrichterkapazität nicht nutzt, oder weil die Maschine im EMV-Testlabor nicht voll belastet werden konnte. Es ist oft schwierig, im Testlabor eine realistische Last zu erzeugen, da Maschinen oft für große, schmutzige oder schwierige Materialien ausgelegt sind, die nicht ins Labor gebracht werden können. Um sicherzustellen, dass der geforderte Standard eingehalten wird, müssen folgende Anforderungen beachtet werden:

1. Die zusätzlichen Eingangsrosseln müssen für die vorgesehene maximale kontinuierliche Lastleistung der Anwendung korrekt ausgewählt sein, was nicht unbedingt die Umrichternennleistung ist.
2. Es muss Rechnung getragen werden zu anderen oberwellenerzeugenden Geräten in der Maschine.
3. Die Last während des Tests muss der Nennlast entsprechen. Falls nötig, muss eine temporäre Bremse oder andere Lastvorrichtung im Testaufbau vorgesehen werden.

Reduzierung von Oberschwingungen

Der natürliche Oberschwingungspegel eines einfachen Gleichrichters kann durch Hinzufügen von Induktivität stark reduziert werden. Dies kann im DC-Zwischenkreis oder in den AC-Eingangsleitungen erfolgen. Die meisten Umrichter ab ca. 2,2 kW nutzen Drehstrom und enthalten Drosseln für die Induktivität. Abbildung 8 zeigt eine typische Stromkurve für diese Art von Umrichter. Man sieht, dass die Kurve weit besser ist als in Abbildung 1, obwohl sie weit von sinusförmig entfernt ist. In diesem Fall beträgt der ITHD ca. 50 % und die schlimmste Oberschwingung die 5. mit ca. 40 %.

Abbildung 8: Typische Eingangsstromkurve für Umrichter mit Drehstromversorgung und Eingangsrosseln.

Dieser Oberschwingungspegel eignet sich für die meisten Anwendungen über einen Leistungsbereich von 3 kW bis mehrere hundert Kilowatt. Für sensible Anwendungen und wenn die gesamte Umrichterleistung der Anschlusskapazität nahekommt, kann eine weitere Reduzierung nötig sein. Die folgende Tabelle gibt die wichtigsten Techniken mit Anmerkungen zu ihren relativen Vorteilen.

Tabelle: Techniken zur Oberschwingungsreduzierung mit Vor- und Nachteilen

Schwingrosseln (Swinging Chokes)

Der Einsatz von „Schwingrosseln“ wurde von einigen Umrichterherstellern beworben. Die Schwingrossel ist eine Erfindung aus den 1920er Jahren, wo sie in einigen Radiogeräten zur DC-Glättung genutzt wurde. Die Drossel hat ein gestuftes oder profiliertes Luftloch, sodass bei steigendem Gleichstrom ein Teil des Magnetkreises sättigt und die Induktivität sinkt. Das Resultat: Bei niedrigen Strömen ist die Induktivität erhöht, was hilft, das oben beschriebene Problem der Einhaltung von Oberschwingungsgrenzwerten über einen Lastbereich zu lösen. Denn der Induktivitätswert passt sich der Last an.

Die Schwingrossel kann dem Umrichterhersteller nützen, da sie den Lagerbestand verschiedener Drosselwerte für diverse Umrichternennleistungen reduzieren kann. Sie kann dem Anwender nützen, indem sie dem Umrichter erlaubt, einen Oberschwingungsstandard bei reduzierter Last ohne zusätzliche Drossel einzuhalten. In der Praxis ist es jedoch recht schwierig, eine Schwingrossel zu konstruieren, die über einen weiten Lastbereich funktioniert, sodass die realen Vorteile gering sind.