Mai 2015

Aktive Harmonische Filter

Netzqualität verbessern und Oberschwingungen reduzieren

Immer mehr Lasten im Netz arbeiten nicht-linear, was starke Rückwirkungen auf das Netz hat und dessen Qualität verschlechtert. Mit EPCOS PQSine™, einem aktiven harmonischen Filter, können Netzrückwirkungen zuverlässig reduziert werden.

In Industrieanlagen, Bürogebäuden, Rechenzentren und privaten Haushalten gibt es kaum mehr elektrische Verbraucher, die den Strom linear aufnehmen.

Beispiele für nicht-lineare Lasten sind Frequenzumrichter in der Antriebstechnik sowie die Vielzahl getakteter Stromversorgungen in Geräten der Informations- und Kommunikationstechnik sowie zunehmend in der Haushaltselektronik. Auch die Beleuchtungstechnik funktioniert auf Basis meist nicht-linearer Stromversorgungen. (Abbildung 1).

Abbildung 1: Spannungs- und Stromverlauf von nicht-linearen Lasten

Bedingt durch nicht-lineare Lasten folgt der Stromverlauf nicht dem Sinus der Spannung, was zu unerwünschten Oberschwingungen führt.

Die nicht-lineare Stromaufnahme führt zu Oberschwingungsströmen, die in Folge Verzerrungen der Sinusspannung bewirken, welche wiederum andere Verbraucher stören. Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung, also der Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz, die unterschiedliche Amplituden aufweisen und sich bis in den oberen kHz-Bereich erstrecken. Oberschwingungen haben eine Reihe negativer Auswirkungen auf die Energiequalität, unter anderem:

  • Probleme für andere Verbraucher aufgrund der schlechten Netzqualität;
  • zusätzliche Strombelastung des Neutralleiters, da sich darin Oberschwingungsströme der 3., 9., 15., 21. Ordnung usw. addieren und zu unzulässig hohen Strömen führen;
  • Phasen-Unsymmetrie (speziell beim Betrieb von 1-phasigen Schaltnetzteilen), welche zusätzlich die Erzeugung von Oberschwingungen begünstigt.

Darüber hinaus können empfindliche Geräte durch Einkopplungen über Daten- oder Energieleitungen in ihrer Funktion gestört oder sogar zerstört werden. Typische Beispiele dafür sind Prozessrechner in Fertigungsanlagen oder Datenzentren, bei denen dadurch verursachte falsche Daten oder Datenverluste enorme Schäden bewirken können.

Oft wird versucht, mit Hilfe passiver Bauelemente Oberschwingungen direkt an dem Verbraucher zu eliminieren, der diese erzeugt. Hierfür ist jedoch für jede Frequenz ein entsprechender, gut abgestimmter Saugkreis aus Kapazitäten und Induktivitäten erforderlich. Diese Lösung ist deshalb nur dann praktikabel, wenn ein eingegrenztes Spektrum an Oberschwingungen auftritt.

Aktive Harmonische Filter beseitigen Oberschwingungen

Mit der EPCOS PQSine Serie bietet TDK nun eine Lösung, die viele von Oberschwingungen und Phasenverschiebungen verursachte Probleme vollautomatisch und elegant löst. Dazu wird PQSine parallel zu der Last ans Netz geschaltet, die die Oberschwingungen verursacht. Herzstück der neuen Aktiven Harmonischen Filter ist ein Controller, der auf einem 32-Bit digitalen Signalprozessor (DSP) basiert und mit einer Abtastrate von 48 kHz arbeitet. Mit einer Reaktionszeit von nur 21 µs zählt PQSine zum Spitzenfeld in seiner Klasse, denn der neu entwickelte SDC (Selective Drive Control) Algorithmus ist schneller als die herkömmlich benutzten, auf der Fast Fourier Analyse (FFT) basierenden Algorithmen. Auf Grundlage der in Echtzeit ermittelten Daten wird nun ein Kompensationsstrom ins Netz gespeist, der die Nicht-Linearität des Verbraucherstroms beseitigt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Funktionsprinzip von EPCOS PQSine

PQSine sorgt für eine sinusförmige Stromaufnahme. Oberwellen und Phasenverschiebungen werden zuverlässig reduziert.

Die PQSine Serie ist konzipiert für 3-phasige Netze mit und ohne Neutralleiter bei Spannungen von 200 V AC bis 480 V AC mit 50/60 Hz. Mit PQSine können Oberschwingungen bis zur 50. Harmonischen (2500 Hz/3000 Hz) erfasst und gefiltert werden. Die neuen Filter sind in Schritten von 60 A bis zu einem maximalen Kompensationsstrom von 600 A in einem einzigen Filtersystem kaskadierbar.

Hohe Flexibilität durch modularen Aufbau

Ein enormer Vorteil ist der modulare Aufbau von PQSine: Die 60-A-Module können schnell ausgewechselt werden; darüber hinaus lässt sich etwa ein Standschrank mit 180 A Filterleistung schnell mit einem oder zwei 60-A-Modulen bis zu einer Gesamtleistung von 300 A (5 Module) aufrüsten. Dazu werden die Module einfach in den Schrank geschoben, dessen Sammelschiene grundsätzlich für Ströme bis 300 A ausgelegt ist (Abbildung 3). Zur Kontaktierung muss weder geschraubt noch gebohrt werden, da sowohl die Leistungsanschlüsse als auch die Steuerkabel steckbar sind.

Abbildung 3: Verschiedene Aufbau- und Montagemöglichkeiten

Das Basismodul (links) kann in Schaltschränken für die Wandmontage (Mitte) oder die Bodenmontage (rechts) verbaut werden. Durch die Kaskadierbarkeit können Systeme für Ströme von bis zu 600 A aufgebaut werden.

Im Gegensatz zur klassischen Blindleistungskompensation, die ausschließlich induktive Lasten kompensiert, können mit PQSine auch kapazitive Blindleistungsanteile kompensiert werden. Neben der hervorragenden Befilterung sorgen die Aktiven Harmonischen Filter der PQSine Serie auch für eine Symmetrierung der Lasten auf alle Phasen. Bei Verwendung der 4-Leiter-Geräte werden zusätzlich auch Neutralleiterstöme kompensiert. Für die optimierte Zuverlässigkeit sorgt eine Reihe von Selbstüberwachungssystemen. Die wichtigsten sind: Überlastschutz, Abschaltung bei Übertemperatur, Schutz vor Über- oder Unterspannung sowie Lüfterüberwachung. Zur benutzerfreundlichen Eingabe und Ablesung der Daten stehen ein 7-Zoll und 12,1-Zoll TFT Color Touchscreen zur Auswahl. Als Interfaces dienen Ethercat mit 100 Mbit/s, USB, Active Sensor Bus und Display Bus.

Abbildung 4: Dreistufige Ausgangstopologie

The three-level output topology of PQSine (above) produces a better approximation of the output current to a sinusoidal waveform (below). In addition, it reduces losses.

Verlustarme Ausgangstopologie

Viele Aktive Filter arbeiten am Ausgang mit zweistufigen IGBT-Brücken, einem Konzept also, das mit der Ausgangsstruktur von 6-Puls-Frequenzumrichtern vergleichbar ist. Bei PQSine dagegen kommt ein dreistufiges Konzept mit in Summe 12 IGBTs (4 IGBTs pro Phasenstrang) zum Einsatz. Dadurch entsteht eine wesentliche bessere Annäherung an eine Sinusform des Ausgangssignals als bei zweistufigen Systemen (Abbildung 4).

Kenndaten von EPCOS PQSine

Min./ max. Netzspannung [V AC]180 bis 528 (3P3W PQSine)
180 bis 460 (3P4W PQSine)
Netzfrequenz [Hz]50/60 Hz
Kompensationsstrom [A]60 pro Modul
ModularitätKaskadierbar bis 600 A
Reaktionszeit [µs]21

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