Die Energiequalität ist ein guter Indikator für die Gesundheit eines dreiphasigen industriellen elektrischen Systems. Sie kann zu zahlreichen Problemen führen, u. a. zur Beschädigung von Anlagen und zur Verschwendung von Energie, wenn die Energie nicht optimal genutzt wird. Oberschwingungen, d. h. Verzerrungen, die durch Schwankungen in der Wellenform von Spannung oder Strom verursacht werden, sind eines der Hauptprobleme, die es zu lösen gilt, um eine maximale Effizienz der Stromversorgungssysteme eines Unternehmens zu gewährleisten.
Etwa 40 Länder verwenden eine Netzgrundfrequenz von 60 Hz, die anderen nutzen 50 Hz, wie in Europa. Unabhängig vom verwendeten System stellen Oberschwingungen eine Belästigung dar und können zur Überhitzung von Neutralleitern sowie von Motor- und Transformatorwicklungen führen.
Was sind die Ursachen für Oberschwingungen in elektrischen Systemen?
Im Allgemeinen haben die Spannungen und Ströme in einem Stromnetz eine "perfekte" Sinuswellenform mit einer Frequenz von 50 Hz (60 Hz in den USA, in der Karibik, in Saudi-Arabien und in einigen wenigen anderen Ländern). Diese Frequenz von 50 Hz ist die einzige harmonische Komponente, aus der die Wellenform besteht. Sobald diese Wellenform verzerrt wird, enthält die Wellenform der Stromversorgung mehr Oberschwingungen. Diese Oberschwingungen haben eine Frequenz, die gleich der Grundfrequenz multipliziert mit einer ungeraden ganzen Zahl ist. So hat z. B. die dritte Harmonische eine Frequenz von 150 Hz, und so weiter bis zur 50ème harmonischen Oberschwingungen. Die wichtigsten Ursachen für diese Verzerrung der Wellenform sind Lasten, die an das Stromversorgungssystem angeschlossen sind, z. B. Frequenzumrichter, PC-Netzteile und LED-Beleuchtungen. Diese Lasten verzerren den Strom und können, je nach Qualität der Netzverkabelung, auch die Wellenform der Spannung verzerren. Frequenzumrichter werden zunehmend in der Industrie eingesetzt und dienen zur Steuerung der Drehzahl eines Elektromotors, der z. B. eine Pumpe, einen Ventilator oder einen Kompressor antreibt.
Was ist THD?
Die harmonische Verzerrung (THD, Total Harmonic Distortion) ist ein Wert, mit dem alle kombinierten harmonischen Komponenten, die in einem Stromnetz vorhanden sind, als Prozentsatz der 50-Hz-Komponente ausgedrückt werden. Je höher dieser Prozentsatz ist, desto mehr Oberschwingungen sind vorhanden. Dieser Wert zeigt also schon auf den ersten Blick, wie viele Oberschwingungen vorhanden sind. Der THD kann sowohl für Spannungsoberschwingungen als auch für Stromoberschwingungen berechnet werden. Nach den Grundprinzipien dürfen die Auswirkungen der Spannungsoberschwingungen niemals 8 % überschreiten. Wird dieser Wert überschritten, muss der Prozentsatz jeder Oberschwingung auf einem Messgerät überprüft werden, das dem Bediener das Oberschwingungsspektrum meist in Form eines Diagramms anzeigt. Es gibt zwei etablierte Methoden zur Reduzierung von Oberschwingungen in Stromnetzen, die jedoch beide Nachteile haben und teuer sein können. Die erste ist der Einsatz von Filtern; die zweite besteht darin, den Transformator durch einen Transformator mit hohem K-Faktor zu ersetzen, der Verzerrungen verkraften kann.
Studien zu Obertönen
Je nach Ursache der harmonischen Verzerrung können Filter viele Vorteile bieten, aber es ist wichtig, dass alle an das System angeschlossenen Geräte einer harmonischen Untersuchung unterzogen werden, um die spezifische(n) Quelle(n) der Verzerrung zu lokalisieren. Der erste Bereich, der auf den höchsten THD-Wert hin untersucht werden sollte, sind große elektronische Frequenzumrichter, um die Geräte zu identifizieren, die für die höchsten Stromstärken verantwortlich sind. Dabei handelt es sich in der Regel um Hochleistungsumrichter mit variabler Frequenz. Die beste Vorgehensweise besteht darin, über mehrere Tage hinweg so viele Oberschwingungsdaten wie möglich zu sammeln, um ein gutes Bild davon zu erhalten, wie sich die THD-Werte mit den Prozessen in dem betreffenden Sektor verändern, und um zu verdeutlichen, wo und wann die Spitzenwerte liegen. Mit diesen Informationen kann ein Filteranbieter die beste Lösung empfehlen. In der Praxis sind in der Regel nur einige wenige Geräte für die beobachteten Verzerrungsprobleme verantwortlich, aber in einem größeren System können die Zahlen weitaus höher liegen. Die zweite Möglichkeit, nämlich der Austausch eines Transformators, kann sich als komplexer erweisen, obwohl weiterhin Oberschwingungsmessungen erforderlich sind, diesmal zur Bestimmung des K-Faktors. Der K-Faktor bezieht sich auf die durch Oberschwingungen erzeugte Erwärmung und kann mithilfe eines geeigneten Messinstruments berechnet werden. Heutige Energiequalitätsanalysatoren berechnen den K-Faktor oft automatisch. Da Transformatoren mit spezifiziertem K-Faktor jedoch deutlich teurer sind als herkömmliche Transformatoren und der Austausch eines Transformators mit K-Faktor kostspielig und störend sein kann, ist es von entscheidender Bedeutung, die Ausfallzeiten zu minimieren. Dennoch ist dies manchmal die einzige Lösung, die in Frage kommt.
Bedeutung der Maßnahmen
Das obige Szenario unterstreicht die Bedeutung von Messungen, denn nur wenn der Nutzer einen Überblick über die Qualität der Stromversorgung eines Systems hat, kann er das Beste aus seinen Geräten herausholen und gleichzeitig dafür sorgen, dass die Energie optimal genutzt wird.
Ein wesentlicher Schritt in jedem Routinewartungsprogramm ist die Durchführung regelmäßiger Energiequalitätsstudien und regelmäßiger Messungen. Diese Maßnahmen ermöglichen es den Nutzern, aktuelle Entwicklungen (falls vorhanden) zu erkennen, um potenzielle Risiken zu melden und diese zu beheben, bevor Probleme auftreten. Die Häufigkeit dieser Inspektionen (monatlich, vierteljährlich, halbjährlich oder jährlich) wird in der Regel dem Nutzer überlassen, doch sollte man sich vor Augen halten, dass diese Inspektionen umso häufiger durchgeführt werden müssen, je höher die Anforderungen des Nutzers an die Zuverlässigkeit des Systems sind. Es ist klar, dass Nutzer, die durch eine Energiequalitätsstudie genaue Daten erhalten, die volle Kontrolle über ihre elektrischen Systeme erhalten, indem sie sicherstellen, dass sie effizient arbeiten und dass alle elektrischen Geräte im System eine möglichst lange Lebensdauer haben.
Obertöne beherrschen
Es ist wichtig, die Punkte, an denen die Messungen durchgeführt werden, sorgfältig auszuwählen sowie immer dieselben Punkte zu verwenden. Dazu müssen die kritischen Punkte im Netzwerk ermittelt werden, an denen die Geräte möglicherweise empfindlicher sind und Probleme verursachen können. Die Erfahrung der Nutzer der Geräte kann in dieser Hinsicht wertvoll sein, da sie oft am besten wissen, wo Probleme auftreten, und besser als jeder andere verstehen, was wirklich vor sich geht.
Es ist auch wichtig, Trends zu erkennen und zu verfolgen, indem man die Verlaufsdaten miteinander vergleicht, um wirklich nützliche Informationen zu erhalten. Gleichzeitig sollten alle Verlaufsdaten gesichert und gespeichert werden, und alle Änderungen oder Verschiebungen von elektrischen Geräten sollten penibel aufgezeichnet werden, einschließlich der Aktualisierung aller Stromlaufpläne. Führen Sie schließlich Ihre Messungen durch und speichern Sie die Messwerte über mehrere Tage hinweg, da Messungen an einem einzigen 24-Stunden-Tag die Situation nur für einen bestimmten Zeitraum wiedergeben. Tatsächlich kann die Funktionsweise von Geräten einen ganzen Tag lang konstant bleiben, sich aber in den nächsten 24 Stunden ändern. Daher ist es sinnvoll, die Energiequalitätsstudie über mehrere Tage durchzuführen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Verzerrungen durch Spannungs- oder Stromschwankungen zu erheblichen Problemen in einem dreiphasigen industriellen Stromsystem führen können, weshalb es wichtig ist, das Verhalten von Oberschwingungen zu überwachen, um Probleme zu vermeidenNiemand möchte mehr Energie verbrauchen als nötig oder riskieren, teure und lebenswichtige Geräte zu beschädigen. Beginnen Sie also jetzt mit der Planung Ihrer Energiequalitätsstudie und halten Sie Ihre Oberschwingungen unter Kontrolle.
von Markus Bakker, Fluke Corporation