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Bild 1: Elektromagnetische Störungen treten im gesamten Frequenzbereich auf. Allerdings unterscheiden sich die Art der Ausbreitung sowie der Ausbreitungsweg.

Um Schädigungen einzelner Verbraucher aufgrund von unerwünschten Oberschwingungen zu vermeiden, gilt es demnach, Maßnahmen zur Verbesserung der Netzqualität zu treffen. Sinnvollerweise sind Netzrückwirkungen elektronischer Verbraucher bereits an der Entstehungsquelle im Gerät wirkungsvoll zu reduzieren. Bei Frequenzumrichtern kann dies – wie etwa bei den Geräten von Danfoss üblich – im einfachsten Fall durch die Verwendung serienmäßig integrierter Zwischenkreisdrosseln erfolgen. In Einzelfällen reicht diese Maßnahme jedoch nicht mehr aus; insbesondere, wenn die Netzqualität durch andere nichtkompensierte Verbraucher bereits zu stark belastet ist.

Um Schädigungen einzelner Verbraucher aufgrund von unerwünschten Oberschwingungen zu vermeiden, gilt es demnach, Maßnahmen zur Verbesserung der Netzqualität zu treffen. Sinnvollerweise sind Netzrückwirkungen elektronischer Verbraucher bereits an der Entstehungsquelle im Gerät wirkungsvoll zu reduzieren. Bei Frequenzumrichtern kann dies – wie etwa bei den Geräten von Danfoss üblich – im einfachsten Fall durch die Verwendung serienmäßig integrierter Zwischenkreisdrosseln erfolgen. In Einzelfällen reicht diese Maßnahme jedoch nicht mehr aus; insbesondere, wenn die Netzqualität durch andere nichtkompensierte Verbraucher bereits zu stark belastet ist.

Moderne Elektronik für effizientere Lösungen

Im Gegensatz zur herkömmlichen Technik der passiven Filter sind aktive Harmonische Filter kleiner, leichter und einfach zu installieren. Ein weiterer Vorteil: Sie erfüllen die Grenzwerte der europäischen Normen für Oberschwingungen und bedämpfen Spannungseinbrüche. Auch die Vorgaben der neuen deutschen Netzanschlussverordnung (NAV) zum Schutz anderer Verbraucher vor Netzrückwirkungen halten sie sicher ein. Dies ist zwar auch bei passiven Filtern der Fall; allerdings ändern diese im Teillastbereich ihr Verhalten beziehungsweise der cos-phi wird dann kapazitiv. Bei aktiven Filtern handelt es sich im Grunde um modifizierte, rückspeisefähige Frequenzumrichter. Sie erfassen im Netz vorhandene Oberschwingungsströme und speisen um 180° phasenverschobene Ströme wieder ins Netz zurück. Je nach Hersteller lassen sich damit Oberschwingungen bis zur 50. Harmonischen reduzieren. Die Geräte arbeiten mit einer Taktfrequenz zwischen 10 und 16 kHz und sind für die Niederspannungsebene mit Kompensationsströmen von 30 bis 450 A erhältlich.

Bild 2: Die Grafik zeigt die Beeinflussung durch die Oberschwingungen in Abhängigkeit der Ordnungszahl der Schwingung, sprich der Vielfachen der Grundschwingung – in Deutschland 50 Hz.

Das Funktionsprinzip eines aktiven Filters beruht auf dem Grundgedanken, keine Ströme abzusaugen, sondern nach Bedarf gezielt Ströme einzuspeisen. Hierzu berechnen aktive Filter durch permanente Messung des Netzverlaufs die Komplementäre der harmonischen Ströme und speisen diese mittels einer aktiven Stromquelle ein. Die Addition der negierten Oberschwingungsströme kompensiert die Verzerrungsblindleistung und es entsteht in Summe wieder ein sinusförmiger Strom.

Je nach Belastung liefert das aktive Filter mehr oder weniger Kompensationsstrom und ist dadurch recht flexibel bei Änderungen des Oberschwingungspegels, des Verbraucherstroms sowie bei Netzänderungen. Zudem ist es in der Lage, dauerhaft an seiner Belastungsgrenze zu arbeiten. Allerdings kann das Filter an seiner Belastungsgrenze die Oberschwingungen im Laststrom unter Umständen nicht mehr in voller Höhe kompensieren. Ist der Oberschwingungs-Stromanteil größer als der maximale gegenphasige Filterstrom, heben sich die Anteile nicht mehr vollständig auf. Zur Erhöhung der Kompensationsleistung ist es in einem solchen Fall möglich, mehrere Aktivfilter parallel zu schalten. Bedingt durch den Impedanzverlauf der Induktivitäten wird bei höheren Frequenzen nur noch ein Teil des maximalen Nennstroms als aktiver Filterstrom zur Verfügung stehen. Resonanzeffekte mit der Netzimpedanz wie bei passiven Filtern sind so gut wie ausgeschlossen.

Die Funktionsweise im Detail

Der Aufbau dieser Filter-Technologie gestaltet sich im Vergleich zu passiven Maßnahmen aufwendiger. Notwendig sind eine hoch auflösende und schnelle Datenerfassung der Messgrößen, eine hohe Rechnerleistung im Reglerteil, sowie schnell schaltende Leistungselektronik. Funktional besteht das aktive Filter aus dem speisenden Inverter, dem Zwischenkreis und dem netzseitigen Stromrichter. Als Energiespeicher kommt ein Kondensator zum Einsatz. Aufgrund der Taktfrequenz des Wechselrichters findet sich in den meisten Filtern zusätzlich ein passives Ausgangsfilter. Dieses verhindert, dass sich die Taktfrequenz störend im Netz bemerkbar macht.

Die netzseitige Stromrichterschaltung kann entweder als I- oder U-Stromrichter ausgeführt sein. Die industrielle Entwicklung der Stromrichtertechnik der letzten Jahre hat deutlich gemacht, dass sich im Bereich selbstgeführter Schaltungen die U-Stromrichtertechnik (VSC) durchsetzt, und sich daher insbesondere auch für den Einsatz als aktives Filter gut eignet, da bei den Spannungszwischenkreis-Stromrichtern keine zusätzlichen Ansteuerung für die Freilaufschaltung notwendig ist, und in den Induktivitäten keine höheren Verluste entstehen.

Aktive Filter – keine Universal-Lösung!

Bei der Auswahl des Aktivfilters muss sich der Betreiber im Klaren sein, welches Frequenzspektrum benötigt wird. Das Filter reduziert die Störursache nur vollständig, wenn es insbesondere auch hohe Oberschwingungsfrequenzen ausreichend dämpft. Je breiter das Kompensationsspektrum ist, desto besser wird die Sinusform erreicht. Die meisten Filter können nur ungerade, diskrete Frequenzen bis zur 50. Harmonischen reduzieren. Allerdings lassen sich in diesem Bereich nicht alle 50 Harmonischen gleichzeitig einspeisen. Einige Geräte sind lediglich in der Lage, maximal 10 oder 20 Harmonische gleichzeitig auszuregeln. In den meisten Fällen ist dies aber ausreichend, da in der Regel nur ungerade Oberschwingungen auftreten und in symmetrisch belasteten Drehstromnetzen zusätzlich die dreifachen Oberschwingungen nicht vorkommen.