„Nichtlinearität bedeutet, dass es schwierig zu lösen ist“, sagte Arthur Mattuck, Mathematiker am Massachusetts Institute of Technology (MIT).Es sollte jedoch angegangen werden, wenn Nichtlinearität auf elektrische Lasten angewendet wird, da sie harmonische Ströme erzeugt und sich negativ auf die Stromverteilung auswirkt – und außerdem kostspielig ist.Hier erklärt Marek Lukaszczyk, Marketingmanager für Europa und den Nahen Osten bei WEG, einem globalen Hersteller und Lieferanten von Motor- und Antriebstechnik, wie man Oberschwingungen in Wechselrichteranwendungen mindert.
Leuchtstofflampen, Schaltnetzteile, Lichtbogenöfen, Gleichrichter und Frequenzumrichter.Dies alles sind Beispiele für Geräte mit nichtlinearen Lasten, was bedeutet, dass das Gerät Spannung und Strom in Form plötzlicher kurzer Impulse aufnimmt.Sie unterscheiden sich von Geräten mit linearen Lasten wie Motoren, Raumheizgeräten, unter Spannung stehenden Transformatoren und Glühbirnen.Bei linearen Lasten ist die Beziehung zwischen Spannungs- und Stromwellenformen sinusförmig und der Strom ist zu jedem Zeitpunkt proportional zur Spannung, ausgedrückt durch das Ohmsche Gesetz.
Ein Problem bei allen nichtlinearen Lasten besteht darin, dass sie Oberschwingungsströme erzeugen.Oberwellen sind Frequenzkomponenten, die normalerweise höher als die Grundfrequenz der Stromversorgung sind, also zwischen 50 und 60 Hertz (Hz), und dem Grundstrom hinzugefügt werden.Diese zusätzlichen Ströme führen zu einer Verzerrung der Wellenform der Systemspannung und verringern den Leistungsfaktor.
Im elektrischen System fließende Oberschwingungsströme können weitere unerwünschte Auswirkungen haben, wie z. B. Spannungsverzerrungen an Verbindungspunkten mit anderen Verbrauchern und Überhitzung von Kabeln.In diesen Fällen kann die Messung der gesamten harmonischen Verzerrung (THD) Aufschluss darüber geben, wie viel der Spannungs- oder Stromverzerrung durch Oberwellen verursacht wird.
In diesem Artikel untersuchen wir, wie Oberschwingungen in Wechselrichteranwendungen reduziert werden können, basierend auf Branchenempfehlungen für die korrekte Überwachung und Interpretation von Phänomenen, die Probleme mit der Energiequalität verursachen.
Das Vereinigte Königreich verwendet die Engineering Recommendation (EREC) G5 der Energy Network Association (ENA) als bewährte Vorgehensweise für den Umgang mit harmonischen Spannungsverzerrungen in Übertragungssystemen und Verteilungsnetzen.In der Europäischen Union sind diese Empfehlungen normalerweise in Richtlinien zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) enthalten, zu denen verschiedene Normen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) wie IEC 60050 gehören. IEEE 519 ist normalerweise ein nordamerikanischer Standard, es ist jedoch erwähnenswert, dass IEEE 519 konzentriert sich eher auf Verteilungssysteme als auf einzelne Geräte.
Sobald die Oberschwingungspegel durch Simulation oder Messung ermittelt wurden, gibt es viele Möglichkeiten, sie zu minimieren, um sie innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.Aber was ist die akzeptable Grenze?
Da es wirtschaftlich nicht machbar oder unmöglich ist, alle Oberschwingungen zu eliminieren, gibt es zwei internationale EMV-Normen, die die Verzerrung der Versorgungsspannung begrenzen, indem sie den Maximalwert des Oberschwingungsstroms festlegen.Dabei handelt es sich um die Norm IEC 61000-3-2, geeignet für Geräte mit einem Nennstrom bis zu 16 A (A) und ≤ 75 A pro Phase, und die Norm IEC 61000-3-12, geeignet für Geräte über 16 A.
Die Begrenzung der Spannungsharmonischen sollte darin bestehen, den THD (V) des gemeinsamen Kopplungspunkts (PCC) bei ≤ 5 % zu halten.PCC ist der Punkt, an dem die elektrischen Leiter des Stromverteilungssystems mit den Kundenleitern und jeglicher Stromübertragung zwischen dem Kunden und dem Stromverteilungssystem verbunden werden.
Für viele Anwendungen wurde als einzige Anforderung eine Empfehlung von ≤ 5 % verwendet.Aus diesem Grund reicht in vielen Fällen die Verwendung eines Wechselrichters mit einem 6-Puls-Gleichrichter und einer Eingangsreaktanz oder einer Gleichstromzwischenkreisinduktivität aus, um die Empfehlung zur maximalen Spannungsverzerrung zu erfüllen.Im Vergleich zu einem 6-Puls-Wechselrichter ohne Induktivität im Zwischenkreis kann die Verwendung eines Wechselrichters mit Zwischenkreisinduktivität (z. B. CFW11, CFW700 und CFW500 von WEG) natürlich die Oberwellenstrahlung deutlich reduzieren.
Ansonsten gibt es noch einige weitere Möglichkeiten zur Reduzierung von Systemoberschwingungen bei Wechselrichteranwendungen, die wir hier vorstellen.
Eine Lösung zur Reduzierung von Oberschwingungen ist der Einsatz eines Wechselrichters mit 12-Puls-Gleichrichter.Allerdings kommt diese Methode meist nur dann zum Einsatz, wenn bereits ein Transformator installiert ist;für mehrere Wechselrichter, die an den gleichen Zwischenkreis angeschlossen sind;oder wenn eine Neuinstallation einen eigenen Transformator für den Wechselrichter erfordert.Darüber hinaus eignet sich diese Lösung für Leistungen, die in der Regel größer als 500 Kilowatt (kW) sind.
Eine andere Methode besteht darin, einen 6-Puls-Wirkstrom-Antriebswechselrichter (AC) mit einem passiven Filter am Eingang zu verwenden.Diese Methode kann unterschiedliche Spannungsniveaus – harmonische Spannungen zwischen Mittelspannung (MV), Hochspannung (HV) und Höchstspannung (EHV) – koordinieren, unterstützt die Kompatibilität und eliminiert nachteilige Auswirkungen auf die empfindliche Ausrüstung der Kunden.Obwohl dies eine herkömmliche Lösung zur Reduzierung von Oberschwingungen ist, erhöht sie den Wärmeverlust und verringert den Leistungsfaktor.
Dies bringt uns zu einer kostengünstigeren Möglichkeit zur Reduzierung von Oberschwingungen: Verwenden Sie einen Wechselrichter mit einem 18-Puls-Gleichrichter oder insbesondere einen DC-AC-Antrieb, der von einem Gleichstromzwischenkreis über einen 18-Puls-Gleichrichter und einen Phasenschiebertransformator gespeist wird.Der Impulsgleichrichter ist die gleiche Lösung, unabhängig davon, ob es sich um einen 12-Puls- oder einen 18-Puls-Gleichrichter handelt.Obwohl es sich hierbei um eine traditionelle Lösung zur Reduzierung von Oberschwingungen handelt, wird sie aufgrund der hohen Kosten meist nur dann eingesetzt, wenn bereits ein Transformator installiert wurde oder bei einer Neuinstallation ein spezieller Transformator für den Wechselrichter erforderlich ist.Die Leistung liegt in der Regel über 500 kW.
Einige Methoden zur Oberwellenunterdrückung erhöhen den Wärmeverlust und verringern den Leistungsfaktor, während andere Methoden die Systemleistung verbessern können.Eine gute Lösung, die wir empfehlen, ist die Verwendung von WEG-Aktivfiltern mit 6-Puls-AC-Antrieben.Dies ist eine hervorragende Lösung zur Beseitigung von Oberwellen, die von verschiedenen Geräten erzeugt werden
Wenn schließlich Strom ins Netz zurückgespeist werden kann oder wenn mehrere Motoren von einem einzigen Gleichstromzwischenkreis angetrieben werden, ist eine andere Lösung attraktiv.Das heißt, es werden ein regenerativer Active-Front-End-Antrieb (AFE) und ein LCL-Filter verwendet.In diesem Fall verfügt der Treiber über einen aktiven Gleichrichter am Eingang und hält die empfohlenen Grenzwerte ein.
Bei Wechselrichtern ohne Zwischenkreis – wie den WEG-eigenen Wechselrichtern CFW500, CFW300, CFW100 und MW500 – ist die Netzwerkreaktanz der Schlüssel zur Reduzierung von Oberschwingungen.Dadurch wird nicht nur das Oberschwingungsproblem gelöst, sondern auch das Problem, dass Energie im Blindteil des Wechselrichters gespeichert wird und unwirksam wird.Mit Hilfe der Netzreaktanz kann ein durch ein Resonanznetz belasteter Hochfrequenz-Einphasenwechselrichter zur Realisierung einer steuerbaren Reaktanz genutzt werden.Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die im Reaktanzelement gespeicherte Energie geringer ist und die harmonische Verzerrung geringer ist.
Es gibt andere praktische Möglichkeiten, mit Harmonischen umzugehen.Eine besteht darin, die Anzahl der linearen Lasten im Verhältnis zu den nichtlinearen Lasten zu erhöhen.Eine andere Methode besteht darin, die Stromversorgungssysteme für lineare und nichtlineare Lasten zu trennen, sodass unterschiedliche Spannungs-THD-Grenzwerte zwischen 5 % und 10 % bestehen.Diese Methode entspricht den oben genannten technischen Empfehlungen (EREC) G5 und EREC G97, die zur Bewertung der harmonischen Spannungsverzerrung nichtlinearer und resonanter Anlagen und Geräte verwendet werden.
Eine andere Methode besteht darin, einen Gleichrichter mit einer größeren Impulszahl zu verwenden und diesen in einen Transformator mit mehreren Sekundärstufen einzuspeisen.Mehrwicklungstransformatoren mit mehreren Primär- oder Sekundärwicklungen können in einer speziellen Konfiguration miteinander verbunden werden, um den erforderlichen Ausgangsspannungspegel bereitzustellen oder mehrere Lasten am Ausgang anzutreiben, wodurch mehr Optionen für die Stromverteilung und Flexibilität des Systems bereitgestellt werden.
Schließlich gibt es noch den oben erwähnten regenerativen Antriebsbetrieb des AFE.Einfache AC-Antriebe sind nicht erneuerbar, was bedeutet, dass sie keine Energie an die Stromquelle zurückgeben können – dies reicht insbesondere nicht aus, da in manchen Anwendungen die Rückgewinnung der zurückgegebenen Energie eine besondere Anforderung ist.Wenn die regenerative Energie in die Wechselstromquelle zurückgeführt werden muss, ist dies die Aufgabe des regenerativen Antriebs.Einfache Gleichrichter werden durch AFE-Wechselrichter ersetzt und auf diese Weise kann Energie zurückgewonnen werden.
Diese Methoden bieten vielfältige Möglichkeiten zur Bekämpfung von Oberschwingungen und eignen sich für verschiedene Arten von Energieverteilungssystemen.Sie können aber auch in verschiedenen Anwendungen deutlich Energie und Kosten einsparen und internationale Standards einhalten.Diese Beispiele zeigen, dass das Nichtlinearitätsproblem nicht schwer zu lösen sein wird, solange die richtige Wechselrichtertechnologie verwendet wird.
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