Einführung in Harmonische:Teil 1

Colin Hargis, Chefingenieur bei Control Techniques, bietet in diesem zweiteiligen Blog eine Einführung in Oberschwingungen. Teil zwei ist hier verfügbar.

Dieser Blog ist eine Einführung in das Thema Oberschwingungen der elektrischen Energie, mit besonderem Bezug auf Frequenzumrichterantriebe mit variabler Drehzahl. Es soll in einfachen Worten erklären, was sie sind und was sie bewirken, und sie von anderen Effekten der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) wie Hochfrequenzstörungen und elektrischem „Rauschen“ unterscheiden.

Der Einfachheit halber gehen die Beispiele meist von einer Netzfrequenz von 50 Hz aus. Wenn Sie in einem Bereich mit 60 Hz arbeiten, müssen Sie die Frequenzen entsprechend skalieren.

Einführung in Harmonische?

Eine Harmonische einer periodischen Funktion hat eine Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches derjenigen der Funktion ist (die die Grundfrequenz ist). In der Elektroenergietechnik dient diese Idee vor allem dazu, die Wirkung von nichtlinearen Leistungslasten zu verstehen, bei denen die Spannungsquelle sinusförmig ist, der Strom jedoch verzerrt ist, wenn auch immer noch mit der gleichen Periode. Unter Verwendung des Konzepts der Fourier-Reihe können wir eine verzerrte periodische Wellenform als die Summe einer Reihe von Harmonischen darstellen.

Beispielsweise zieht ein einfacher Einphasen-Brückengleichrichter einen Strom, der aus einer Reihe kurzer Impulse an den Spannungsspitzen besteht, wie in Abbildung 1 gezeigt;

Abbildung 1:Stromverlauf für einfachen Einphasen-Brückengleichrichter

Der Strom kann in seine konstituierenden Frequenzen zerlegt werden. Es besteht aus einer Reihe von Harmonischen ungerader Ordnung, wie in Abbildung 2 gezeigt;

Abbildung 2:Frequenzanalyse des Stroms in Abbildung 1

Der Vorteil dieser Analyse besteht darin, dass das Verhalten elektrischer Komponenten am einfachsten zu verstehen und anhand spezifischer Sinusfrequenzen zu definieren ist.

In diesem Fall sieht man bei einer Netzfrequenz von 50 Hz, dass die Oberschwingungsströme bis zu Größenordnungen von etwa 30, also 1500 Hz, durchaus ins Gewicht fallen. Darüber hinaus nehmen sie schnell ab. Die Oberschwingungen niedrigerer Ordnung der Ordnungen 3, 5, 7 und 9 haben eine wirklich hohe Amplitude und sind nicht viel geringer als die Grundfrequenz (50 Hz).

Wenn die negativen und positiven Halbwellen die gleiche Form haben, dann sind nur die ungeradzahligen Harmonischen vorhanden. In Drehstromkreisen fehlen auch die Triple-n-Harmonischen (3, 6, 9, 12 usw.), weil sie gleichphasig sind und gleichphasige Ströme in einer Dreileiterschaltung blockiert werden.

Strenge Definition und Arbeitsdefinition für Harmonische. Zwischenharmonische.

Eine wahre Harmonische kann nur eine Frequenz haben, die ein exaktes ganzzahliges Vielfaches der Grundwelle ist. Die meisten einfachen nichtlinearen Geräte wie Gleichrichter und Magnetkomponenten mit Eisenkern erzeugen echte harmonische Ströme.

In modernen leistungselektronischen Schaltungen mit aktivem Schalten, die möglicherweise nicht mit der Versorgungsfrequenz synchronisiert sind, können neue Frequenzen vorhanden sein, die keine echten Oberwellen sind. Wie ich beispielsweise in den Blogs Nr. 4 und 5 über regenerative Antriebe dargestellt habe, erzeugt ein Wechselrichter, der mit einer Schaltfrequenz von 4 kHz bei einer 60-Hz-Versorgung arbeitet, Ströme mit Frequenzen von 3880 Hz und 4120 Hz sowie viele andere, die es sind keine ganzzahligen Vielfachen von 60 Hz und daher keine echten Harmonischen. Der korrekte Begriff dafür ist Zwischenharmonische . Sie sind immer noch unerwünschte Frequenzen und einige ihrer Wirkungen sind die gleichen wie bei Oberwellen, daher können sie in der allgemeinen Diskussion einfach als „Oberwellen“ bezeichnet werden. Dies kann zu Verwirrung führen, daher ist es am besten, klarzustellen, ob es sich um echte Obertöne oder alle Arten von Verzerrungen handelt.

Welche Wirkung haben sie?

Unter erneuter Bezugnahme auf die Abbildungen 1 und 2 haben wir einen Gleichrichter an die Netzversorgung angeschlossen. Die Speisung ist sinusförmig und hat eine Einzelfrequenz von 50 Hz. Der Gleichrichter erzeugt Oberschwingungsströme, die in der Versorgung fließen. Der Gleichrichter ist eine Stromquelle mit harmonischen Frequenzen, die zurück in die Versorgung emittiert und im Stromsystem verteilt werden. Abbildung 3 veranschaulicht dies. Der Oberwellenstrom wird von der Last emittiert und verursacht eine Oberwellenspannung in der Quellenimpedanz der Versorgung. Die Spannung wird von anderen Stromverbrauchern erfahren, die an denselben Punkt der gemeinsamen Kopplung (PCC) angeschlossen sind.

Abbildung 3:Ausbreitung von Oberschwingungen im Stromnetz

Die Oberschwingungen haben Frequenzen im Bereich von 100 Hz bis etwa 2500 Hz (wir hören im Allgemeinen bei etwa der 50. Ordnung auf, aber einige Behörden gehen von 100 oder sogar 200 aus. Der Standard für Oberschwingungsmessungen endet bei 9 kHz). Der erste interessante Punkt ist, dass dies sehr niedrige Frequenzen im elektromagnetischen Spektrum sind. Dies wird in dem in Abbildung 4 gezeigten Spektrum veranschaulicht;

Abbildung 4:Vereinfachtes elektromagnetisches Spektrum, das die Position der Leistungsharmonischen zeigt

Es wird allgemein davon ausgegangen, dass „Hochfrequenz“ bei 9 kHz beginnt, und tatsächlich gibt es sehr wenige Funkanwendungen unter etwa 100 kHz, da es schwierig ist, eine nützliche elektromagnetische Welle zu erzeugen. Das bedeutet, dass sich die Oberschwingungen nicht als Wellen ausbreiten und sich nur durch Leitung in der Verkabelung des Stromversorgungssystems ausbreiten. Sie verursachen keine Interferenzen durch Streukopplung, sondern werden nur über die Stromkabel in andere Geräte geleitet. Der Grund, warum sie berücksichtigt werden müssen, ist, dass sie kumulativ sind – ein Gleichrichter in einem Fernsehgerät hat also einen winzigen Effekt, aber wenn Millionen von Fernsehgeräten gleichzeitig arbeiten, haben ihre Oberwellen dieselbe Frequenz und Phase, sodass sie sich summieren das Energiesystem. Der Gesamteffekt besteht darin, die sinusförmige Spannungswellenform zu verzerren. Abbildung 5 veranschaulicht die Art von „Flat-Top“-Verzerrung, die durch Gleichrichter verursacht wird;

Abbildung 5:Spannungsverzerrung durch Gleichrichterharmonische

Ein mäßiger Oberschwingungsstrom im Stromversorgungssystem ist unbedenklich, aber wenn er zu hoch wird, kann es zu Problemen kommen. Einige der möglichen Auswirkungen übermäßiger Oberschwingungen im Stromnetz sind unten aufgeführt. All dies ist ziemlich ungewöhnlich, aber wenn sie auftreten, kann es schwierig und teuer sein, sie zu korrigieren.

• Erhöhte Erwärmung einiger frequenzempfindlicher elektrischer Geräte, insbesondere:
  • Kondensatoren zur Blindleistungskompensation
  • Induktionsmotoren
  • Transformatoren
  • Generatoren (z. B. kleine lokale Generatoren wie Notstromversorgungen)
• Akustische Geräusche in Transformatoren, Stromschienen usw.
• Fehler in Geräten, die die Netzfrequenz für die Zeitmessung verwenden (inzwischen selten geworden)
• Unerwünschtes Auslösen von USV-Systemen, die auf Wellenformverzerrungen reagieren
• Rauschaufnahme in analogen Soundsystemen, z.B. Theater oder Kirche
• Unerwünschtes Auslösen von Schutzrelais des Stromversorgungssystems, was zum Ausfall der öffentlichen Versorgung führt

Ernste Schwierigkeiten mit Obertönen sind ungewöhnlich, außer in ziemlich speziellen Fällen. Ein Beispiel ist ein Schiff, das über einen eigenen Generator mit begrenzter Leistungsfähigkeit und eine große Anzahl von Antrieben oder anderen Gleichrichtern verfügt. Die Energieversorger erleben jedoch eine Akkumulation von Oberschwingungen durch Millionen von Kleingeräten, die in Betrieb sind, und es gibt Orte, an denen die fünfte Oberschwingung der öffentlichen Versorgung ihren Grenzwert erreicht.

„Rauschen“

Beachten Sie, dass die Wirkung von Oberschwingungen nicht die Art von Störung elektronischer Schaltungen umfasst, die allgemein als „elektrisches Rauschen“ bezeichnet wird und zu Geräuschen und Vibrationen in analogen Antriebssystemen und/oder Datenfehlern in digitalen Datenverbindungen führt. Die Gründe dafür sind:

• Die Frequenz der Harmonischen ist zu niedrig für eine signifikante Streukopplung durch Induktion zwischen benachbarten Stromkreisen. Die meisten elektrischen Interferenzen werden durch viel höhere Frequenzen verursacht, die elektromagnetisch gekoppelt werden können, oder durch die Streuinduktivität von Erdungsverbindungen.

Die Oberschwingungen breiten sich nur als Serienströme im Leistungskreis aus, d. h. sie wandern in den Leistungsleitern des Leistungssystems und nicht in den Erdverbindungen (Masse). Hochfrequentes „Rauschen“ liegt normalerweise im Gleichtakt vor, d. h. es breitet sich in Leitern aus und der Stromkreis wird durch die Erde (Masse) geschlossen. Siehe Abbildung 6 für eine weitere Erklärung;

Abbildung 6:Reihenmodus (a) und Gleichtakt (b) in einem einphasigen Stromkreis

Harmonische Daten:Eingang und Ausgang, Spannung und Strom

Antriebsbenutzer fordern manchmal Oberschwingungsdaten für einen Antrieb an. Es besteht eine gewisse Verwechslungsgefahr, da sie sich auf den Eingang oder den Ausgang und auf Strom oder Spannung beziehen können. Die folgende Tabelle fasst die Daten zusammen, die für jeden Ort relevant sind.

Manchmal rührt eine Anfrage nach Oberwellendaten am Ausgang von früheren Erfahrungen eines Benutzers mit Umrichterantrieben früherer Generationen her, die die Quasi-Quadrat-Technik verwendeten und die Nicht-Triple-n-Oberwellen der Arbeitsfrequenz enthielten. Bei PWM sind die Oberschwingungen vernachlässigbar.

Um die Tabelle zusammenzufassen, sind die einzigen Oberwellendaten, die ein Merkmal eines bestimmten Antriebsmodells sind, die Eingangsstromdaten. Das sollte vom Lieferanten auf Anfrage erhältlich sein.

In Teil 2 des Oberschwingungs-Blogs werden wir uns ansehen, wie Oberschwingungen gemessen und bewertet werden, wie sie sich mit der Antriebsbelastung ändern und was getan werden kann, wenn sie reduziert werden müssen.