Oberschwingungen des elektrischen Systems

Ein besonderer Grund, warum die Elektrizitätsunternehmen Oberschwingungen für schlecht halten, ist, dass sie diese liefern müssen (was im Durchschnitt ein im Allgemeinen etwas dickeres Kabel bedeutet) UND sie dem Benutzer normalerweise keine Rechnung dafür stellen können. Es gibt natürlich Ausnahmen (für Verbraucher mit höherem Energieverbrauch), und sie werden (durch die Kosten ihrer Rechnung) ermutigt, die Oberschwingungen niedrig und den Leistungsfaktor so nahe wie möglich bei Eins zu halten.

Eine Oberschwingung ist ein Begriff, der fast immer auf eine nichtlineare Last zutrifft, die den normalerweise sinusförmigen Laststrom verzerrt. Im Grunde ist es kein höherer Stromverbrauch, aber es bedeutet, dass die Infrastruktur in der Lage sein muss, mit den verrechenbaren Grundströmen und den normalerweise nicht verrechenbaren Oberschwingungen fertig zu werden: -

Das Folgende kann helfen, nichtlineare Lasten zu verstehen und wie sie Oberschwingungen erzeugen.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Abbildung 1. Ein einfacher Brückengleichrichter, ein Glättungskondensator und eine ohmsche Last.

Die Schaltung von Abbildung 1 sollte leicht verständlich sein. Wenn der obere AC-Eingang positiv ist, fließt Strom durch D2, R1 und D3 zurück zur anderen AC-Leitung. C1 lädt sich auf und hält die Spannung an der Last aufrecht. Für einen Maschinenbauer wäre dies analog zu zwei getakteten Hydraulikversorgungen, vier Rückschlagventilen (D1 - 4), einem Druckspeicher (C1) und dem Verbraucher (R1).

Aus dem Obigen sollte ersichtlich sein, dass der Strom (Fluss) beim ersten Impuls dem Versorgungsdruck folgt, aber dass bei nachfolgenden Impulsen kein Strom fließt, bis der Vorratsdruck vom Versorgungsdruck überschritten wird. Das Ergebnis ist, dass der benötigte Strom in Impulsen fließt – siehe die schwarzen Kurven in Bild 2.

Abbildung 2. Gleichgerichteter Wechselstrom (rot), Kondensatorspannung (blau) und Gleichrichterstrom (schwarz). Der Wechselstrom (links vom Gleichrichter in Abbildung 1) sieht ähnlich aus wie die schwarze Kurve, außer dass sich jede Halbwelle über und unter der Linie abwechselt.

Es sollte auch intuitiv sein, dass, da der Gleichrichter Strom in Impulsen bereitstellt, der Spitzenstrom ein Vielfaches des durchschnittlichen Stroms sein kann.

Da jede periodische Welle durch die Addition einer Sinuswelle der Grundfrequenz und ihrer Oberwellen (in unterschiedlichen Beträgen) gebildet werden kann, erzeugt der verzerrte Strombedarf Oberwellen in der Stromversorgung.

Abbildung 3. Diese fabelhafte Illustration der Fourier-Transformation von Lucas V. Barbosa auf der Fourier-Transformationsseite von Wikipedia zeigt die Transformation einer periodischen Wellenform aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich. Das Frequenzdiagramm zeigt die relative Stärke der Oberschwingungen mit einer Klarheit, die durch das Starren auf das Zeitdiagramm nicht erreicht werden könnte.

Wenn Sie verstehen, wie Wälzlager Impulse von unregelmäßigen Oberflächen erzeugen, können Sie sich vorstellen, dass Strom durch unregelmäßige Impedanz Unebenheiten und Oberschwingungen erhält. Es verursacht mehr Hitze und Verschleiß. Sobald die Kraft in der Magnetik die Sättigung erreicht, wie eine Feder, die ihren Boden erreicht, steigt die Kraft stark an und verursacht Schäden durch Überstrom.

Das nichtlineare Verhalten aller Magnetkerne ist genau wie das Spiel bei einem Riemenantrieb, aber vielleicht sanfter. Die Hysterese und Steifheit oder steile Flanke von einigen gegenüber anderen, die in Motoren aller Art weicher sind, beeinflusst die Menge der erzeugten Oberschwingungen. Auch SMPS-Versorgungen müssen jetzt für große AC-DC-Versorgungen in IEC-Normen um den aktiven Leistungsfaktor korrigiert werden. 50 % THD reduziert den PF um 10 %, was die gespeicherte Energie im Netz erhöht und die Leitungsverluste erhöht.

Oberschwingungen werden auch durch netzfrequente Stromimpulse erzeugt, wie z. B. alte lineare Diodenbrückenkappen-Linearversorgungen, die am Frontend alles andere als linear sind. Der Strom lädt je nach Last und Nennleistung nur ~ 10 % oder <30 % und entlädt sich dann für den Rest der Zeit zwischen jedem Halbzyklus an die Regler. Diese Impulse erzeugen schädlichere geradzahlige Oberschwingungen , die sich in Phase im Neutralleiter des Transformators addieren, während ungeradzahlige Oberschwingungen dazu neigen, sich in einem Differenzialmodus- oder Delta-3-Phasen-System auszulöschen. (perfekte 50 % Rechteckwellen haben keine geradzahligen Harmonischen)

Daher sind die Oberschwingungen wie Unebenheiten in einer Oberflächenimpedanz eines Rollenlagers, die überschüssige Wärme, Spannungskräfte, einen geringeren Wirkungsgrad und Isolationsfähigkeiten hinzufügen, was alles zu einer geringeren Lebensdauer und höheren Betriebskosten führt.