Dieser Fluke-Artikel erschien ursprünglich in der März-Ausgabe von Plant Engineering.
Zur Verringerung von Oberschwingungsproblemen in Betrieben gibt es mehrere Optionen. Unglücklicherweise gibt es keine Lösung, die zu allen Anwendungen passt. Das Suchen und Auswählen der richtigen Option für Ihre Bedürfnisse ist der Schlüssel. Wenn diese unerwünschten Ströme nicht reduziert werden, kann es zu Problemen kommen, die von der Überhitzung von Neutralleitern und Transformatoren bis zum ineffizienten Betrieb von elektronischen Geräten reichen. Ungewollte Alarmauslösungen bei Antrieben mit variabler Frequenz, SPS-Problemen und Computersperren sind häufige Probleme, die aus einem Übermaß an Oberschwingungen in einem Stromverteilungssystem resultieren.
Um die beste Lösung zur Verringerung unerwünschter Oberschwingungen zu ermitteln, untersuchen Sie zunächst das Gerät, das vermutlich die meisten Oberschwingungsströme produziert. Meistens handelt es sich dabei um einen Antrieb mit variabler Frequenz (VFD). Messen und analysieren Sie mit der Messausrüstung die Frequenzen und Amplituden der Oberschwingungen. Das ist sehr viel einfacher als es klingt. Netz- und Stromversorgungsanalysatoren und -recorder messen diese Werte, zeichnen sie auf und berechnen die Verzerrung der ursprünglichen 60-Hz-Sinuswelle, die von den Oberschwingungen erzeugt wurde, und ermöglichen einen anschließenden Datendownload auf einen PC zur weiteren Analyse. Der von der Analyseausrüstung berechnete Schlüsselparameter ist die gesamte harmonische Verzerrung (THD). Der THD-Parameter wird für Spannung und Strom verwendet. Nach Abschluss des Messvorgangs hilft der VFD-Hersteller bei der Entwicklung einer Lösung.
Was ist dann die beste Möglichkeit zur Messung der benötigten Werte? Einfach die gesamte harmonische Verzerrung zu einem bestimmten Zeitpunkt zu messen und anschließend einen Filter zur Verringerung dieser Oberschwingungsströme zu kaufen ist, wahrscheinlich nicht die beste Lösung. Grund: Die Frequenz und die Beträge der vom Antrieb mit variabler Frequenz erzeugten Oberschwingungsströme werden üblicherweise mit den Laständerungen des Antriebs variieren. Zum Beispiel kann ein bestimmter Antrieb bei leichter Last viele Oberschwingungen mit relativ kleinem Betrag, bei schwerer Last hingegen stärkere Oberschwingungen erzeugen. Wenn die harmonischen Daten nur einmal für eine relativ kurze Zeit aufgezeichnet werden, besteht die Gefahr, dass Sie die benötigten Daten verpassen.
Filter, Drosselspulen und andere zur Verringerung von Oberschwingungen verwendete Vorrichtungen sind für bestimmte Oberschwingungs- und Betriebszustände konzipiert. Wenn ein Filter zur Verringerung der erzeugten Oberschwingungen bei geringer Belastung des Antriebs mit variabler Frequenz ausgewählt wird, würde dies höchstwahrscheinlich zum Kauf des falschen Oberschwingungsfilters führen. Es könnte sich herausstellen, dass die größten Probleme zu anderen Zeitpunkten des Anlagenbetriebs entstehen.
Beachten Sie folgende Schritte zur besseren Verringerung von Oberschwingungsproblemen:
- Identifizieren Sie alle Geräte, die Sie für nichtlinear halten (VFDs sind ein typisches Beispiel dafür) und von denen Sie glauben, dass sie unerwünschte Oberschwingungen in Ihr Stromverteilungssystem senden.
- Richten Sie einen Netz- und Stromversorgungsanalysator oder -recorder zur Datenaufzeichnung ein. Schließen Sie das Werkzeug an dem Punkt an, an dem sich der Antrieb mit anderen Systemlasten verbindet. Dieser Punkt wird in industriellen Anlagen als Netzanschlusspunkt bezeichnet. Obwohl manche Recorder auch permanent installiert werden können, ist es sinnvoll, einen tragbaren Analysator zu verwenden, der für die Dauer der Aufzeichnungsstudie in dem entsprechenden Schaltschrank angeschlossen und sicher platziert wird.
- Achten Sie beim Anschließen und Trennen des Geräts immer darauf, dass angemessene Vorkehrungen für die elektrische Sicherheit getroffen werden!
- Zeichnen Sie die Daten über mindestens einen Anlagenzyklus auf, damit auch die stärksten Oberschwingungen erfasst werden. Besorgen Sie sich die Protokolle der Anlagenoperationen und -prozesse während dieses Zyklus, um sie mit Ihren aufgezeichneten Daten zu vergleichen.
- Laden Sie die Daten mithilfe der Analysesoftware zur Analyse auf einen PC herunter. Beobachten Sie anschließend die zu verschiedenen Zeitpunkten des Betriebs erzeugten Oberschwingungen. Vergleichen Sie die Oberschwingungsdaten mit den Betriebsdaten in der Anlage. Stellen Sie Fragen, wie z. B.: „Bei welchen Betriebsereignissen und -operationen bewirken die Oberschwingungen die größte Verzerrung?“ „Wie hoch ist die Ausgangsleistung meines Antriebs an diesem Punkt?“ Dies wird höchstwahrscheinlich der Betriebspunkt des Antriebs mit variabler Frequenz sein, bei dem Sie Oberschwingungen korrigieren werden.
Nach IEEE-Empfehlung sollte die gesamte harmonische Verzerrung (THD) der Grundfrequenz von 60 Hz an diesem Netzanschlusspunkt bei der Spannung 5 % nicht überschreiten. Alle THD-Werte, die sich während des gesamten Betriebszyklus der Anlage an diese Grenzwerte annähern, sollten bei Korrekturmaßnahmen sorgfältig untersucht werden. - Versuchen Sie nach Möglichkeit Anlagenprobleme während der Aufzeichnung von Oberschwingungsdaten mit den THD-Werten und dem Pegel der Oberschwingungen zu diesem Zeitpunkt in Verbindung zu bringen. Wenn zum Beispiel eine SPS einen ungewollten Hochtemperaturalarm am Gerät auslöst und sich gleichzeitig die Last am Antrieb ändert und ein großer Motor in der Anlage startet, kann es sein, dass Sie gerade Ihr Oberschwingungsproblem entdeckt haben! Ein auf diese spezielle Antriebslast ausgelegter Filter könnte die Lösung sein.
- Schließlich wählen Sie gemeinsam mit dem Hersteller des Antriebsproblems die beste Lösung zur Verringerung von Oberschwingungen aus. Durch eine Reihe von Fragen und technischen Analysen hilft Ihnen der Lieferant Ihres Antriebs mit variabler Frequenz dabei, die beste Lösung zur Verringerung der unerwünschten Oberschwingungen zu ermitteln und bereitzustellen.