Oberschwingungsregelung in Energiesystemen: Auswahl und Konfiguration von Reaktoren

Mit der rasanten Entwicklung von Industrieanlagen, Kraftwerken für erneuerbare Energien und Rechenzentren hat die Oberschwingungsbelastung in Stromnetzen immer stärker zugenommen. Oberschwingungen führen nicht nur zur Überhitzung von Transformatoren und zur Alterung der Kabelisolierung, sondern können auch schwere Unfälle wie Kondensatorresonanzexplosionen auslösen. Reaktoren als Kernausrüstung für die Oberschwingungsregelung bestimmen durch ihre Auswahl und Konfiguration direkt die Wirksamkeit der Abschwächung. Dieser Artikel untersucht, wie eine effiziente Oberschwingungsregelung durch wissenschaftliche Auswahl und systematische Konfiguration erreicht werden kann, ausgehend von den Prinzipien der Oberschwingungsunterdrückung und unter Einbeziehung globaler Ingenieurpraktiken.

Inhalt

1. Oberschwingungsgefahren und die Unterdrückungsprinzipien von Reaktoren

● Entstehung und Zerstörungsmechanismen von Oberschwingungen

Oberschwingungen sind Spannungs- oder Stromkomponenten mit Frequenzen, die ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz (50/60 Hz) betragen. Sie werden hauptsächlich von nichtlinearen Lasten wie Frequenzumrichtern, Gleichrichtern und LED-Stromversorgungen erzeugt. Zu ihren Gefahren zählen:

(1)Überhitzung des Transformators:Oberschwingungsströme verursachen Wirbelstromverluste und Streuverluste. Die Verlustformel lautet:

     Resonanz:Harmonischer StromDie Spannungen interagieren mit der Reaktanz des Kondensators und bilden eine Resonanz, die zu einer Spannungsverstärkung oder sogar zu einem Geräteausfall führt.

● Grundprinzipien der reaktorbasierten Oberwellenunterdrückung

Drosseln unterdrücken Oberschwingungen durch zwei physikalische Mechanismen:

(1)Impedanzanpassung:Reihendrosseln erhöhen die Systemimpedanz, verändern den Weg der Oberschwingungsströme und leiten sie in Richtung niederohmiger Filterkreise. Beispielsweise ist die induktive Reaktanz einer Reihendrossel () und Kondensatorreaktanz () wirken zusammen, um dem System eine hohe Impedanz gegenüber bestimmten Oberschwingungen zu verleihen und so deren Fluss in das Netz zu verhindern.

(2)Energieaufnahme: Filterdrosseln und Kondensatoren bilden LC-Filter und schaffen niederohmige Pfade für gezielte Oberwellen. Beispielsweise wird ein 5. Harmonischenfilter mit einer Resonanzfrequenz von 250 Hz entwickelt, bei dem die Impedanz des LC-Schaltkreises minimiert wird, wodurch Oberwellenströme aktiv absorbiert und in Wärme umgewandelt werden.

Fallstudie: Ein deutsches Automobilwerk hat auf der Ausgangsseite eines Frequenzumrichters einen 5. Harmonischen-Filter (6 % Reaktanzrate) installiert, wodurch der 5. Harmonischen-Strom von 120 A auf 30 A reduziert und der Temperaturanstieg des Transformators um 40 % gesenkt wurde.

2. Wichtige technische Parameter für die Reaktorauswahl

● Auswahl der Reaktanzrate und Vermeidung von Resonanz

Die Reaktanzrate (), das Verhältnis der induktiven Reaktanz des Reaktors zur kapazitiven Reaktanz des Kondensators, bestimmt die Resonanzfrequenz.

Die Resonanzfrequenz wird wie folgt berechnet:

woher ist die Grundfrequenz.

(1)4 %–7 % Reaktanzrate: Geeignet zur Unterdrückung von Harmonischen 5. und höherer Ordnung (). Beispielsweise ergibt eine Reaktanzrate von 6 % eine Resonanzfrequenz von 204 Hz (entsprechend der 4.08. Harmonischen), wodurch das Risiko einer Resonanz der 5. Harmonischen wirksam vermieden wird.

(2)14 % Reaktanzrate:Zielt auf Szenarien mit der 3. Harmonischen (150 Hz) ab, wie z. B. USV-Systeme in Rechenzentren. Hier ist die Resonanzfrequenz:

 weit von der 3. harmonischen Frequenz entfernt.

● Stromkapazität und Temperaturanstiegsdesign

(1) Aktuelle Kapazität:Drosseln müssen der zusätzlichen thermischen Belastung durch Oberschwingungsströme standhalten. Die Gesamtstromkapazität sollte folgende Anforderungen erfüllen:

Wenn beispielsweise der Grundstrom 100A beträgt und die Die 5. Harmonische macht 20 % aus, der Gesamtstrom beträgt 102 A.

(2)Temperaturanstiegskontrolle:Basierend auf der Formel für den Widerstandsverlust des Leiters, Reaktoren benötigen:

-Isolationsklasse:Isoliermaterialien der Klasse B (≤80 K), Klasse F (≤100 K) oder Klasse H (≤125 K) zur Anpassung an unterschiedliche Umgebungstemperaturen.

-Kühlstruktur:Natürliche Kühlung mit Aluminiumgehäusen oder Zwangsluftkühlung, wobei die Wärmeableitungsfläche an die Verlustleistung angepasst wird. Beispielsweise benötigt ein 100-kW-Verlustreaktor einen Kühlkörper mit einer Oberfläche von ≥ 5 m².

3. Reaktorkonfigurationsstrategien und physikalische Prinzipien

● Standortauswahl: Zentralisiert vs. Verteilt

(1)Zentralisierte Konfiguration: Drosseln werden auf der Niederspannungsseite oder der Sammelschiene des Transformators installiert, um die Gesamtimpedanz des Systems zu erhöhen und Oberschwingungen zu unterdrücken. Das Prinzip besteht darin, die Sammelschienenimpedanz zu erhöhen (), wodurch harmonische Ströme in Richtung niederohmiger Filterzweige geleitet werden.

-Wirkung: Unterdrückt 80 % der Breitbandharmonischen, kann jedoch bestimmte Harmonische nicht eliminieren.

(2)Verteilte Konfiguration:Drosseln werden in der Nähe von Oberschwingungsquellen (z. B. VFD-Ausgängen) installiert, um eine gezielte Oberschwingungsunterdrückung zu erreichen. Das Prinzip besteht darin, die lokale Impedanz anzupassen, um Oberschwingungseinspeisungspfade zu blockieren.

-Wirkung: Erreicht bis zu 95 % Unterdrückung charakteristischer Obertöne wie der Quinte und Septime, erfordert jedoch individuelle Designs für jedes Gerät.

● Synergie zwischen paralleler und serieller Konfiguration

(1)Parallelreaktoren: Kompensieren Blindleistung und mildern Spannungsschwankungen. Ihr Prinzip besteht darin, kapazitive Blindleistung durch induktive Ströme auszugleichen, Oberschwingungen werden jedoch nicht direkt gefiltert.

(2)Reihendrosseln: Bilden Sie abgestimmte Filter mit Kondensatoren, die als „Harmonische Absorber“ für bestimmte Frequenzen fungieren. Beispielsweise erfüllen die LC-Parameter eines 5. Harmonischen-Filters:

Bei 250 Hz sind die Impedanzen von Reaktor und Kondensator gleich und entgegengesetzt, wodurch die Gesamtimpedanz minimiert und harmonische Ströme aktiv absorbiert werden.

Fallstudie: Ein US-Rechenzentrum hat eine Lösung mit einem 7 %-Reihenreaktor und einem 5.-Harmonischen-Filter eingeführt, wodurch der THDv von 12 % auf 2.8 % gesenkt und der Leistungsfaktor von 0.82 auf 0.98 verbessert wurde.

Vergleichstabelle zur Reaktorauswahl und -konfiguration

Zusammenfassend

Bei der Oberschwingungsregelung geht es im Wesentlichen um Impedanzanpassung und Energieumleitung. Durch die präzise Auswahl der Reaktoren (Reaktanzrate, Isolationsklasse) und systematische Konfiguration (zentral/verteilt, seriell/parallel) können Oberschwingungen effektiv unterdrückt und Resonanzrisiken vermieden werden. Für internationale Nutzer müssen die Lösungen auf die Netzeigenschaften (Kurzschlusskapazität, Umgebungsbedingungen) abgestimmt sein: Zentralisierte Konfigurationen mit geringer Reaktanz für Szenarien mit hoher Kurzschlusskapazität, während verteilte Filter ideal für die präzise Unterdrückung charakteristischer Oberschwingungen sind. Mit dem Aufkommen von Breitband-Aktivfiltern (AFE) und intelligenten Reaktoren wird die Oberschwingungsregelung in ein neues Zeitalter adaptiver und prädiktiver Lösungen eintreten.

Kontaktieren Sie uns

LuShan, Europäische Sommerzeit.1975, ist ein chinesischer professioneller Hersteller, spezialisiert auf Leistungstransformatoren und Reaktoren für50+ Jahre. Führende Produkte sind Einphasentransformator, Dreiphasentransformator Isolierung Transformatoren, elektrischer Transformator, Verteiltransformator, Abwärts- und Aufwärtstransformator, Niederspannungstransformator, Hochspannungstransformator, Steuertransformator, Ringkerntransformator, R-Kern-Transformator;Gleichstrominduktoren, Wechselstromreaktoren, Filterreaktoren, Netz- und Lastreaktoren, Drosseln, Filterreaktoren und Zwischen- und Hochfrequenzprodukte.

Unsere Kraft Transformatoren und Reaktoren werden in zehn Anwendungsbereichen häufig eingesetzt: Schnellverkehr, Baumaschinen, erneuerbare Energien, intelligente Fertigung, medizinische Geräte, Explosionsschutz in Kohlebergwerken, Erregersysteme, Vakuumsintern (Öfen), zentrale Klimaanlagen.

Erfahren Sie mehr über Leistungstransformatoren und Reaktoren:www.lstransformer.com.

Wenn Sie maßgeschneiderte Lösungen für Transformatoren oder Drosseln wünschen, kontaktieren Sie uns bitte.

WhatsApp:+86 17267488565

E-Mail: marketing@hnlsdz.com