Was ist ein aktives Filter (APF)? Funktionsweise und Dimensionierung

Aktive Leistungsfilter (APF) sind äußerst wichtige Technologien zur Verbesserung der Stromqualität elektrischer Systeme. APFs werden auch eingesetzt, um harmonische Störungen zu reduzieren und die Qualität der Stromversorgung zu verbessern. Mit dem Anstieg elektronischer Geräte, die in der Industrie verwendet werden, besteht ein größerer Bedarf an einer sauberen und zuverlässigen Stromquelle, was sie für die Verbesserung der Steuerung elektrischer Systeme unerlässlich macht.

Wie funktioniert ein Aktiver Leistungsfilter (APF)?

Ein Aktiver Leistungsfilter arbeitet, indem er eine Echtzeit-Wellenform eines Stromsystems überwacht und analysiert. Er kann sowohl Grund- als auch Harmonische Komponenten der Versorgungsspannung und des Stroms erkennen und kompensierende Ströme erzeugen, um die negativen Auswirkungen von Harmonischen auszugleichen. Durch eine dynamische Reaktion kann er unerwünschte Frequenzen effektiv herausfiltern, während die Grundfrequenz ungehindert durchgelassen wird, wodurch eine optimal ausbalancierte Stromversorgung entsteht, die den Anforderungen empfindlicher elektronischer Geräte entspricht.

Wichtige Vorteile von Aktiven Leistungsfiltern (APF)

Die Implementierung eines APF bietet zahlreiche Vorteile:

• Harmonische Minderung: APFs gewährleisten die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, indem sie die harmonischen Verzerrungen in der Stromversorgung erheblich reduzieren.
• Verbesserter Leistungsfaktor: APFs verbessern die Effizienz elektrischer Geräte durch Leistungsfaktorkorrektur, was zu geringeren Betriebskosten führt.
• Verlängerte Lebensdauer der Geräte: Verminderte Kontamination durch elektrische Quellen führt zu weniger Verschleiß an den Geräten und somit zu einer längeren Lebensdauer der Geräte.
• Echtzeit-Anpassungsfähigkeit: Im Vergleich zu passiven Filtertypen, deren Eigenschaften vorbestimmt sind, passen sich aktive Filter (APF) automatisch an Änderungen der Last und Umweltbedingungen an, was ihnen mehr Flexibilität verleiht als passive Filter.

APF vs. Passiver Filter: Wichtige Unterschiede

Ein Vergleich nebeneinander zeigt schnell die wichtigsten Unterschiede zwischen aktiven Filtern und passiven Filtersystemen. Passive Filter verwenden nur passive Schaltungselemente (z.B. Induktoren und Kondensatoren), um vorbestimmte harmonische Frequenzen anzugreifen; daher zeigen passive Filter nur geringe Anpassungsfähigkeit an wechselnde Bedingungen. Im Gegensatz dazu verwenden aktive Leistungsfilter sowohl algorithmische Berechnungen als auch Leistungselektronik, um dynamisch anpassbare Kompensationsniveaus über einen breiteren Betriebsfrequenzbereich anzubieten. Aufgrund ihrer Fähigkeit, dynamische Kompensation bereitzustellen, sind aktive Filter in Anwendungen, bei denen der harmonische Inhalt stark variiert, in der Regel effektiver.

Häufige Anwendungen von Aktiven Leistungsfiltern

Aktive Leistungsfilter (APF) finden umfangreiche Anwendung in verschiedenen Branchen, darunter:

• Fertigungsanlagen: Um einen ununterbrochenen Betrieb von Maschinen zu gewährleisten, die stark auf elektronische Energie angewiesen sind.
• Rechenzentren: In Situationen, die sowohl hohe Zuverlässigkeit als auch hohe Effizienz erfordern, ermöglichen Power-Quality-Verbesserungen, dies auf höchstem Niveau zu erreichen.
• Erneuerbare Energiesysteme: Obwohl Oberschwingungen bei Windturbinen- und Solargeneratoren häufig ein Problem darstellen, hilft der Einsatz von Kondensatorbänken, ihre Stromversorgung zu stabilisieren.
• Elektrische Traktionssysteme: Wird häufig im Verkehrssektor eingesetzt, um die Qualität der Traktionsenergie zu verbessern.

APFs erfüllen nicht nur diese Funktionen; sie helfen auch dabei, viele der strengen Branchenrichtlinien und Standards zur Regulierung der Stromqualität einzuhalten, was ihre Akzeptanz in heutigen elektrischen Netzen weiter erhöht.

Was ein APF misst und einspeist

Ein aktiver Leistungsfilter verwendet Stromwandler, um den Last- oder Quellstrom zu beobachten, und einen Controller, um unerwünschte Komponenten vom Grundstrom zu trennen, der vom Last benötigt wird. Ein Spannungsquellenwandler injiziert dann einen kontrollierten Strom mit entgegengesetztem Oberschwingungsgehalt. Am gewählten Messpunkt wird der Quellstrom der Referenzwellenform nähergebracht. Je nach Design und Einstellungen kann derselbe Wandler auch die Blindleistungs- und Phasenstromausgleichsfunktion übernehmen, wobei diese Funktionen Stromkapazität verbrauchen und in der Dimensionierung berücksichtigt werden müssen.

Die Position des Stromwandlers (CT) bestimmt, was der Controller sehen kann. Ein nur um einen Teil eines Parallelschiebers installierter Stromwandler kann keinen Strom korrigieren, den er nicht misst. Falschpolung, falsche Phasenabbildung, übermäßige Sekundärleitungslast oder ein falsches CT-Verhältnis können zu schwacher Reaktion, Instabilität oder Alarm führen. Die Inbetriebnahme sollte die Phasensequenz und Polarität mit einer bekannten Last vor der vollständigen automatischen Ausgabe bestätigen.

Wie man einen aktiven Leistungsfilter dimensioniert

Wählen Sie einen APF nicht nur anhand des Transformator-KVA oder der angeschlossenen VFD-Leistung. Messen Sie das Oberschwingungsstromspektrum und den RMS-Strom am vorgesehenen Korrekturpunkt während repräsentativer Betriebszustände. Bestimmen Sie den Strom, der entfernt werden muss, um die Projektgrenze einzuhalten, fügen Sie nur dann Blind- und Ungleichstrom hinzu, wenn diese Funktionen erforderlich sind, und berücksichtigen Sie Umgebungs-, Höhen-, Gehäuse- und Redundanzmargen. Überprüfen Sie, ob der Wandler über die ausreichende Bandbreite für die relevanten Oberschwingungsordnungen verfügt und ob seine CT-Eingänge, Spannungsbewertung, Kurzschlussfestigkeit und Kommunikation mit der Anlage übereinstimmen.

APF, Passivfilter oder entstimmte Kondensatorbank?

Ein APF ist attraktiv, wenn Lasten sich ändern, mehrere Harmonische variieren oder modulare Kapazitäten in Stufen wertvoll sind. Ein abgestimmter Passivfilter kann bei vorhersehbarem Spektrum effizient sein, muss jedoch mit Netzimpedanz und Schaltzuständen untersucht werden. Eine entstimmte Kondensatorbank ist hauptsächlich eine Lösung für Blindleistung, die entwickelt wurde, um einen bestimmten Resonanzbereich zu vermeiden; sie ist nicht automatisch ein vollständiger Harmonischenfilter. Hybridsysteme können die stetige Blindleistungsaufgabe und die dynamische Harmonische Aufgabe aufteilen, aber ihre Steuerungen und Schutzmaßnahmen müssen koordiniert werden.

Inbetriebnahme und Abnahme

Aufzeichnen von Basis-Spannungs- und Stromwellenformen, Spektrum, Belastung und Betriebszustände. Überprüfung von Stromwandlern, Belüftung, Schutz, Umgehung, Alarmen und Kommunikation. Schrittweise Aktivierung der Kompensation, wobei der Konverterstrom und die Busspannung beobachtet werden. Die Akzeptanz sollte Vorher-Nachher-Messungen am vereinbarten Punkt unter Verwendung desselben Aggregationsintervalls und Produktionszustands vergleichen. Untersuchen Sie neue Resonanzen, Überhitzung, Fehlalarme oder Wechselwirkungen mit Generatoren, USV-Systemen, Kondensatoren oder anderen aktiven Kompensatoren.

FAQ: Häufig gestellte Fragen zu aktiven Leistungsfiltern

Welche Arten von aktiven Leistungsfiltern (APF) sind verfügbar?

Drei Grundarten von aktiven Leistungsfiltern (APF) umfassen: (1) Shunt-APF – Ein Shunt-Aktivleistungsfilter wird an die Lasten angeschlossen, um Stromharmonische zu reduzieren. (2) Serieller APF – Ein serieller aktiver Leistungsfilter kompensiert die Spannungsqualität (d.h. Spannungsstörungen oder -verzerrungen), indem er in Serie mit dem Versorgungsnetz verbunden wird. (3) Hybrider aktiver Leistungsfilter – Ein hybrider aktiver Leistungsfilter ist eine Kombination aus einem aktiven Leistungsfilter und einem passiven Filter, was die Gesamtleistung und Effizienz der Filter im Vergleich zur Verwendung einer einzelnen Methode verbessert.

Was sind Harmonische, und warum sind sie schädlich?

Harmonische sind Frequenzen innerhalb eines elektrischen Systems, die nicht benötigt werden; sie sind Vielfache der Grundfrequenz, wie 50 Hz oder 60 Hz. Harmonikaprobleme können zu Überhitzung, Ausfällen elektrischer Geräte, erhöhten Energiekosten und stärkerem Verschleiß an elektrischen Geräten führen. Aktive Leistungsfilter eliminieren diese unerwünschten Harmonischen aus dem System, sodass das System reibungslos und zuverlässig läuft.

Ist ein aktiver Leistungsfilter (APF) die Investition wert?

Ein APF ist oft die Anschaffung wert, um in jeder industriellen, Rechenzentrum- und/oder elektroniksensitiven Umgebung implementiert zu werden. Langfristig bieten APFs Vorteile wie verringerte Energieverluste und Wartungskosten, eine längere Lebensdauer der Geräte und eine insgesamt höhere Effizienz des Systems, was zu Kosteneinsparungen führt.

Kann ich einen aktiven Leistungsfilter (APF) in meinem Zuhause installieren?

Obwohl ein aktiver Leistungsfilter (APF) häufig zur Behebung von Spannungsqualitätsproblemen eingesetzt wird, wie Harmonische von heutigen Geräten und erneuerbaren Energiesystemen, können APFs in Haushalten verwendet werden, in denen es aufgrund von Harmonischen in Ihrer spezifischen Anwendung zu Spannungsqualitätsproblemen kommt. Da sie jedoch sehr teuer sind, werden sie eher in größeren Anwendungen eingesetzt.

Wie wähle ich den richtigen aktiven Leistungsfilter (APF) für meine Anwendung aus?

Bevor Sie einen aktiven Leistungsfilter (APF), auswählen, muss eine gründliche Bewertung Ihres Stromsystems erfolgen. Zu berücksichtigende Faktoren sind; Harmonische Verzerrung, Art der Last, Nennleistung der Last und der Grad der benötigten Kompensation. Zudem hilft die Zusammenarbeit mit einem Experten oder Anbieter, der auf APF spezialisiert ist, sicherzustellen, dass Sie den bestmöglichen aktiven Leistungsfilter (APF) für Ihre Anwendung erhalten.

Durch erhöhte Energieeffizienz, Schutz empfindlicher Elektronik vor Schäden und die Einhaltung von Spannungsqualitätsstandards stellen aktive Leistungsfilter eine ausgezeichnete Investition für jedes Unternehmen dar, das seine elektrischen Systeme verbessern möchte.

Praktische FAQ

Was macht ein aktiver Leistungsfilter?

Er misst unerwünschte Oberschwingungsströme sowie gegebenenfalls Blind- oder Unsymmetrieströme und speist anschließend einen gezielt geregelten Kompensationsstrom ein.

Kann ein aktiver Oberschwingungsfilter den Leistungsfaktor verbessern?

Viele APFs können Blindstrom liefern, aber dies nutzt die Konverterkapazität und muss in den Projekteinstellungen und der Dimensionierung berücksichtigt werden.

Wie wird der Nennstrom eines APF ausgewählt?

Verwenden Sie gemessenen harmonischen Strom nach Ordnung und Betriebsszenario, dann schließen Sie optional reaktive Last, Abwertung, Erweiterung und Redundanz ein.

Wo sollten APF-CTs installiert werden?

Installieren Sie sie an der Grenze, die der APF kontrollieren muss, mit dem richtigen Verhältnis, der Polarität, der Phasenzuordnung und der Einbindung aller relevanten Parallepfade.

Ersetzt ein APF eine Harmonische-Studie?

Nein. Die Studie definiert das Problem, den Korrekturpunk, den erforderlichen Strom, die Netzinteraktionen und die Akzeptanzgrenzen.