Elektrische Verbraucher, die den Strom linear aufnehmen, gibt es in Industrieanlagen, Bürogebäuden, Rechenzentren und privaten Haushalten kaum mehr. Nicht-lineare Lasten sind zum Beispiel Frequenzumrichter in der Antriebstechnik sowie die Vielzahl ­getakteter Stromversorgungen in Ge­räten der Informations- und Kommu­nikations-technik sowie zunehmend in der Haushaltselektronik. Auch die Beleuchtungstechnik funktioniert auf Basis meist nicht-linearer Stromver­sorgungen.

Die nicht-lineare Stromaufnahme führt zu Oberschwingungsströmen, die in Folge Verzerrungen der Sinusspannung bewirken. Diese wiederum stören andere Verbraucher. Oberschwingungen sind ganzzahlige Vielfache der Grundschwingung (der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz), die unterschiedliche Amplituden aufweisen und sich bis in den oberen kHz-Bereich erstrecken.

Oberschwingungen haben negative Auswirkungen auf die Energiequalität – unter anderem

■    machen sie anderen Verbrauchern Probleme aufgrund der schlechten Netzqualität,
■    erzeugen sie eine zusätzliche Strombelastung des Neutralleiters, da sich Oberschwingungsströme der 3., 9., 15., 21. Ordnung und so weiter ­addieren und zu unzulässig hohen Strömen führen;
■    führen sie zu Phasen-Unsymmetrie – speziell beim Betrieb einphasiger Schaltnetzteile –, was die Erzeugung von Oberschwingungen zusätzlich begünstigt.

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

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

Aktive Harmonische Filter

Eine Alternative sind Aktive Harmonische Filter, wie sie beispielsweise TDK mit der ‚Epcos PQSine‘-Serie bietet. ‚PQSine‘ wird parallel zu der Last, die die Oberschwingungen verursacht, ans Netz geschaltet.

Das Basismodul (unten) ist in Schaltschränken für die Wandmontage (links) oder die Bodenmontage (rechts) verbaubar. Durch die Kaskadierbarkeit lassen sich Systeme für Ströme bis maximal 600 A aufbauen.

© Epcos

Kern der Aktiven Harmonischen Filter ist ein Controller, der auf einem digitalen 32-Bit-Signalprozessor (DSP) basiert und mit einer Abtastrate von 48 kHz arbeitet. Mit einer Reaktionszeit von 21 µs und dem Selective-Drive-Control-Algorithmus (SDC) ist diese Lösung schneller als herkömmlich benutzte, auf der Fast-Fourier-Analyse (FFT) basierende Algorithmen. Auf Grundlage der in Echtzeit ermittelten Daten wird ein Kompensationsstrom ins Netz gespeist, der die Nicht-Linearität des Verbraucherstroms beseitigt.

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

Modularer Aufbau

Spannungs- und Stromverlauf nicht-linearer Lasten: Der Stromverlauf folgt nicht dem Sinus der Spannung, was zu unerwünschten Oberschwingungen führt.

© Epcos

Dank des modularen Aufbaus der ­Aktiven Harmonischen Filter lassen sich die 60-A-Module einfach aus­wechseln; darüber hinaus lässt sich etwa ein Standschrank mit 180 A Fil­terleistung mit einem oder zwei 60-A-Modulen bis zu einer Gesamtleistung von 300 A (fünf Module) aufrüsten. Dazu werden die Module in den Schrank geschoben, dessen Sammelschiene grundsätzlich für Ströme bis 300 A ausgelegt ist. Zur Kontaktierung muss weder geschraubt noch gebohrt werden, da sowohl die Leistungs­anschlüsse als auch die Steuerkabel steckbar sind.

Im Gegensatz zur klassischen Blindleistungskompensation, die ausschließlich induktive Lasten kompensiert, ­lassen sich mit den Filtern auch ka­pazitive Blindleistungsanteile kompensieren. Neben der Befilterung sorgen die Geräte für eine Symmetrierung der Lasten auf alle Phasen. Bei ­Verwendung der 4-Leiter-Geräte werden zudem Neutralleiterstöme kompensiert. An Selbstüberwachungssystemen sind Überlastschutz, Abschaltung bei Übertemperatur, Schutz vor Über- oder Unterspannung sowie Lüfterüberwachung integriert. Als Interfaces dienen Ethercat mit 100 Mbit/s, USB, Active Sensor Bus und Display Bus.

Verlustarme Ausgangstopologie

Viele Aktive Filter arbeiten am Ausgang mit zweistufigen IGBT-Brücken – einem Konzept, das mit der Ausgangsstruktur von 6-Puls-Frequenzumrichtern vergleichbar ist. Bei ­PQSine hingegen kommt ein drei­stufiges Konzept mit in Summe zwölf IGBTs zum Einsatz (vier IGBTs pro Phasenstrang). Dadurch entsteht eine bessere Annäherung an eine Sinus-form des Ausgangssignals als bei zweistufigen Systemen. Da bei diesem Konzept die IGBTs nur jeweils die ­halbe Betriebsspannung schalten müssen, reduzieren sich die Schaltverluste deutlich.

Autor: Lukas Motta ist Director Business Development Power Quality Solutions bei TDK in München.