Gesamtklirrfaktor (THD) in elektrischen Energiesystemen

Einführung

Die Stromqualität in Verteilnetzen hat einen erheblichen Einfluss auf die Stromregelung und den Stromverbrauch. Wie Johan Lundquist von der Technischen Universität Chalmers in Göteborg, Schweden, treffend feststellte: „Der Ausdruck 'Stromqualität' wurde im letzten Jahrzehnt weit verbreitet verwendet und umfasst alle Aspekte von Ereignissen im System, die vom Normalbetrieb abweichen.'

Dieses Konzept gewann in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts an Bedeutung, als moderne elektronische Stromquellen Verzerrungen verursachten. Stromversorgungssystem Wellenformen.

Was sind HarmonischS?

Harmonische sind ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz. Beträgt die Grundfrequenz beispielsweise 50 Hz, so ist die zweite Harmonische 100 Hz, die dritte 150 Hz und die vierte 200 Hz. Diese Harmonischen verursachen Verzerrungen im Spannungsverlauf.

In schweren Fällen können Oberwellenverzerrungen zu Problemen wie Anlagenüberhitzung oder Geräteschäden führen. Aus Gründen der Sicherheit und Effizienz ist es daher unerlässlich, Oberwellen so weit wie möglich zu reduzieren.

Was verursacht Obertöne?

Leistungsumwandlungsgeräte sind bedeutende Quellen von Oberwellen. Zum Beispiel Frequenzumrichter (FU)Wechselrichter für Elektromotoren und industrielle Thyristoren können Oberschwingungen erzeugen. Frequenzumrichter regeln die Motordrehzahl durch Anpassung von Spannung und Frequenz und verbessern so die Steuerung und Energieeffizienz. Allerdings führen sie Oberschwingungen in das System ein, die die Wellenform stören und die Gesamtqualität der Stromversorgung beeinträchtigen.

Was ist die gesamte harmonische Verzerrung (THD)?

Der Klirrfaktor (THD) ist ein Maß für den Gesamtanteil der Oberwellen in einer Wellenform im Verhältnis zu ihrer Grundkomponente. Er wird nach folgender Formel berechnet:

• Zähler: Summe der Effektivwerte (RMS) jeder harmonischen Ordnung, beginnend mit der zweiten Ordnung.
• NennerEffektivwert der Grundwellenform.

Der THD-Wert drückt die Wellenformverzerrung als einen einzigen Wert aus und ist daher ein nützlicher Index zur Bewertung von Oberschwingungen in einem Netzteil.

Wie wird der THD-Wert berechnet?

Gesamtklirrfaktor (THD) wird berechnet, indem die Gesamtleistung aller Oberwellen oberhalb der Grundfrequenz mit der Leistung der Grundfrequenz selbst verglichen wird.

Die Formel für THD lautet:

THD=V22+V32+⋯+Vn2V1×100%\text{THD} = \frac{\sqrt{V_2^2 + V_3^2 + \dots + V_n^2}}{V_1} \times 100\%THD=V1​V22​+V32​+⋯+Vn2​​​×100%

Wo:

• V1V_1V1​ ist die Effektivspannung (RMS) der Grundfrequenz.
• V2,V3,…,VnV_2, V_3, \dots, V_nV2​,V3​,…,Vn​ sind die Effektivwerte der Spannungen der harmonischen Frequenzen.

Das Ergebnis wird als Prozentsatz ausgedrückt. Zum Beispiel ein Klirrfaktor von 1 % bedeutet, dass die Leistung der harmonischen Frequenzen gleich 1% der Leistung der Grundfrequenz ist.

Faktoren, die den gesamten harmonischen Klirrfaktor (THD) beeinflussen

Zur Gesamtklirrfaktor (THD) in einem System tragen verschiedene Faktoren bei:

1. Konstruktion und Qualität der Komponenten

Minderwertige Bauteile wie Kondensatoren, Spulen oder Transistoren können Signalverzerrungen erhöhen. Hochwertige Bauteile hingegen sind so konstruiert, dass sie diese Effekte reduzieren und somit zu einem geringeren Klirrfaktor (THD) führen.

2. Schaltungsdesign

Layout und Struktur einer Schaltung beeinflussen den Klirrfaktor (THD) maßgeblich. Zum Beispiel:

• Rückkopplungsschleifen in VerstärkernDiese können Verzerrungen minimieren.
• Suboptimale DesignsSchlecht konstruierte Schaltungen können Verzerrungen unbeabsichtigt verstärken.

3. Lastbedingungen

Art und Verhalten der vom System angetriebenen Last beeinflussen ebenfalls die Verzerrungsgrade. Zum Beispiel:

• Ein Verstärker, der einen Lautsprecher ansteuert bei hohe Mengen neigt dazu, im Vergleich zum Betrieb bei moderaten Pegeln stärkere Verzerrungen zu erzeugen.

4. Umweltfaktoren

Äußere Bedingungen können zusätzliche Verzerrungen verursachen, darunter:

• Temperaturschwankungen
• Elektromagnetische Störungen (EMI)
• Schwankungen in der Stromversorgung

Das Verständnis dieser Faktoren hilft bei der Entwicklung von Systemen mit niedrigerem Klirrfaktor und verbessert die allgemeine Stromqualität.

Auswirkungen von Obertönen

Oberschwingungen können den Standort der Stromnutzung und die umliegenden Gebäude beeinträchtigen. Dies zeigt sich besonders deutlich in Fabriken und Anlagen mit großen elektrischen Anlagen. Oberschwingungen können folgende Auswirkungen haben:

• Überhitzung der Anlagen
• Gerätefehlfunktion oder -ausfall
• Erhöhte Energieverluste

Bei der Installation eines Leistungswandlers ist es wichtig, dessen Oberwelleneffekte zu bewerten. Falls eine Verschlechterung der Oberwellen zu erwarten ist, bieten sich Lösungen wie beispielsweise an. Reaktoren oder passive Filter können dazu beitragen, ihre Auswirkungen zu mindern.

Die Low-THD-Lösungen von YT Electric

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, bietet YT Electric fortschrittliche Lösungen zur Verbesserung der Stromqualität an, wie zum Beispiel: Aktive Oberwellenfilter (AHF) Und Statische Variablengeneratoren (SVG)Diese Geräte sind so konzipiert, dass sie die Klirrfaktorverzerrung (THD) effektiv reduzieren und so eine stabile und zuverlässige Stromversorgung für verschiedene Anwendungen gewährleisten. Die Produkte von YT Electric zeichnen sich außerdem durch folgende Merkmale aus:

• Hochpräzise harmonische Filterung bis zur 25. Ordnung.
• Fortschrittliche adaptive Algorithmen für optimale Leistung.
• Langlebige Designs Geeignet für Umgebungen mit hohen Temperaturen und hoher Staubbelastung.

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