Oberschwingungen

03-02-2012 | HLK-Anlagen

Verstehen, Messen und Interpretation der Ergebnisse

Von vorübergehenden Abschaltungen durch die Steuerung bis zu Ausfällen von Kompressoren und Transformatoren – Oberschwingungen können jede Art von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen beeinträchtigen.

Ein Techniker dokumentierte vor Kurzem die Fehlercodes, die ihm nach der Abschaltung eines Kühlkreislaufs übermittelt wurden. Ein genauer Blick auf den Kühler enthüllte, dass die angezeigten Fehler nicht zu dem passten, was innerhalb des Geräts vor sich ging. Die Diagnose ergab, dass im Kühler eine „Phasenumkehr“ stattgefunden hatte und es anschließend zu einer Überlastung des Kompressormotors kam. Außerdem wurde eine Warnung „condenser pump variable speed drive fault“ (Fehler im Antrieb mit regelbarer Drehzahl der Kondensorpumpe) übermittelt.

Es ist höchst unwahrscheinlich, dass eine Phasenumkehr stattgefunden hat – dies ist im Allgemeinen ein Installationsproblem. Die Untersuchung ergab, dass sowohl der Kompressor als auch der Kondensorpumpenantrieb normal zu funktionieren schienen. Das Problem, das diese Auslösung des Leistungsschalters verursacht, könnte bei einer Komponente im Schaltschrank selbst liegen, eine weitere Möglichkeit, die häufig übersehen wird, könnten jedoch auch Oberschwingungen sein.

Oberschwingungsströme und das elektrische Verteilungssystem

Oberschwingungsströme fließen in einem Stromkreis mit Vielfachen der Grundfrequenz von 60 Hertz (Hz). Beispielsweise ist ein Strom, der in einem Stromkreis mit 180 Hz fließt, die dritte Oberschwingung (60 Hz mal 3). Solche Ströme werden nicht direkt auf Multimetern angezeigt und werden üblicherweise erst dann entdeckt, wenn ungewöhnliche Steuerungs- und Geräteprobleme aufzutreten beginnen. Ein Vergleich der Strommesswerte eines Mittelwert-Messgeräts mit den Werten eines hochwertigen Echteffektivwert-Messgeräts im gleichen Stromkreis ist hilfreich für die Aufdeckung von Problemen mit Oberschwingungen. Das Mittelwert-Messgerät zeigt nur den 60-Hz-Strom und das Echteffektivwert-Messgerät zeigt eine Kombination aus 60-Hz- und Oberschwingungsstrom an. Die Erzeugung dieser Oberschwingungsströme und ihre Reflektion in das elektrische Verteilungssystem können zu Problemen führen.

Hier einige Beispiele für Oberschwingungsprobleme:

  • Der unsachgemäße Betrieb von Steuerkreisen
  • Fehlerhafte Abschaltungen von elektronisch gesteuerten Kühlern und Luftaufbereitungsanlagen
  • Überhitzung von Magnetspulen, die ersetzt werden müssen
  • Überhitzung von 480-Volt-Transformatoren, die 208Y/120-Volt-HLK-Systeme versorgen
  • Überhitzung von Gebläse- und Kaltwasserpumpenmotoren
  • Mit etwas Grundverständnis können die professionellen Techniker und Ingenieure von heute die Ursachen von Oberschwingungsproblemen isolieren und ihre Auswirkungen durch Austauschen des störenden Elements oder den Einbau eines Oberschwingungsfilters verringern.

    Moderne elektronische Schaltungen müssen den 60-Hz-Versorgungswechselstrom in Gleichstrom wandeln, da die Elektronik mit Gleichspannung und Gleichstrom betrieben wird. Die Signalform des von diesen elektronischen Lasten aufgenommenen Stroms enthüllt, dass das Stromsignal nicht dem angelegten Spannungssignal entspricht. Daher werden solche elektronischen Lasten als „nichtlineare“ Lasten bezeichnet. Diese nichtlinearen Lasten produzieren die Oberschwingungsströme, die in das System reflektiert werden. Die Oberschwingungsströme treten in einem großen Spektrum auf, nehmen jedoch üblicherweise mit steigender Frequenz ab. Siehe Abbildung 1.

    Nichtlineare Last
    Abbildung 1. Nichtlineare Last. Aus der Beobachtung einphasiger Spannungs- und Stromsinuswellen, die von einem Antrieb mit variabler Frequenz (VFD) aufgenommen werden, geht hervor, dass das Stromsignal (unten) mit dem angelegten Spannungssignal überhaupt nicht konform ist. Solche nichtlinearen Lasten erzeugen Oberschwingungsströme, die in das Stromverteilungssystem fließen.
    Oberschwingungen
    Abbildung 2. Oberschwingungen. In diesem Bildschirmfoto des Netz- und Stromversorgungsanalysators werden die Oberschwingungsfrequenzen auf der Oberschwingungsachse angezeigt. Der prozentuale Anteil der spezifischen Oberschwingungsfrequenz an der Grundfrequenz von 60 Hz wird auf der vertikalen Achse angezeigt. Der Cursor wurde über der dritten Oberschwingungsfrequenz platziert und dieser dritte Oberschwingungsstrom scheint ca. 25 % der Grundfrequenz von 60 Hz zu repräsentieren.

    Verschiedene Oberschwingungsfrequenzen erzeugen in einem Stromkreis ihren eigenen charakteristischen Effekt. Wenn man sie kombiniert, kommt es zu einer Verzerrung der ursprünglichen 60-Hz-Sinuswellen. Eine verzerrte Leistung am Eingang des elektronischen Geräts kann zu versehentlichem Abschalten und gelegentlich auftretenden Alarmen in Steuerkreisen führen. Manche Oberschwingungsströme sorgen für eine übermäßige Hitzeentwicklung. Andere Oberschwingungen erzeugen tatsächlich ein Umkehrdrehmoment in Motoren, das zu einer Reduzierung des Wirkungsgrads und einer Überhitzung von Motoren führt.

    Störungsbehebung

    Fehlersuche bedeutet in jedem Schaltkreis die richtige Ermittlung der Grundursache des Problems und das Isolieren der Quelle. Wenn durch Routineprüfungen zur Fehlersuche in einem elektronischen Schaltkreis mit nichtlinearen Lasten das Problem nicht ermittelt werden kann, sollten Sie eine Suche nach Oberschwingungen in Erwägung ziehen.

    Führen Sie einen ersten Test zur Anwesenheit von Oberschwingungen mit einer Strommesszange durch, die die gesamte harmonische Verzerrung (THD) anzeigen kann. Aus der THD ergibt sich eine Abbildung, in der die Summe der anwesenden Oberschwingungen angezeigt wird. Die THD für Spannung sollte 5 % nicht übersteigen und kann leicht von einer Strommesszange abgelesen werden. Die THD für den Strom wird beträchtlich höher laufen. Übermäßige THD für Spannung bedeutet, dass jedes der zuvor erwähnten Probleme auftreten kann und Korrekturmaßnahmen ergriffen werden sollten. Verwenden Sie für detailliertere Informationen einen Netz- und Stromversorgungsanalysator, um das Ausmaß und die Auswirkungen der einzelnen Oberschwingungen weiter zu erkunden.

    Der Netz- und Stromversorgungsanalysator misst den Pegel jeder Oberschwingungsfrequenz und erfasst viele andere Probleme im Zusammenhang mit der Netzqualität. Netz- und Stromversorgungsanalysator sind für einphasige und dreiphasige Stromkreise erhältlich. Sie werden im Allgemeinen für eine gewisse Zeit in den Schaltkreis eingebunden, um Störungen in der Stromversorgung aufzuzeichnen. Die Daten können später zur Analyse auf einen PC heruntergeladen werden.

    Zusätzlich zur Messung der Oberschwingungen zeichnen Netz- und Stromversorgungsanalysatoren auch andere Störungen auf, die zu einer Fehlfunktion der Steuerkreise führen können. „Spannungsüberhöhungen“ beispielsweise sind Spannungsanstiege über die jeweiligen Nennwerte, die zu Schäden am Gerät führen können. Bei „Spannungseinbrüchen“ sinkt die angelegte Spannung ab, was zu versehentlichen Abschaltungen und falschen Alarmen in Stromkreisen eines Antriebs mit variabler Frequenz oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) führt.

    THD und Pegel der Oberschwingungen sollten am Netzanschlusspegel gemessen werden. Bei der Fehlersuche ist der Netzanschlusspunkt der Punkt, an dem nichtlineare Lasten, die als Ursache des Problems in Frage kommen, mit dem Rest des Stromverteilungssystems verbunden sind. Eine schnelle Prüfung im Motorsteuerungsbereich beispielsweise, wo ein Antrieb mit variabler Frequenz mit Strom versorgt wird, bringt Klarheit darüber, ob der Antrieb die Ursache für ein Oberschwingungsproblem ist. Suchen Sie nach der THD für eine Spannung, die sich 5 % annähert, und prüfen Sie nach einem Vorhandensein und den Pegeln verschiedener Oberschwingungsfrequenzen. Siehe Abbildung 2. Die von dem Antrieb mit variabler Frequenz ausgehenden Oberschwingungen variieren mit seiner Leistung. Es kann erforderlich sein, den Netz- und Stromversorgungsanalysator einzurichten, damit Werte für einen gewissen Zeitraum aufgezeichnet werden, weil sich die Anforderungen des Lüftungssystems verändern.

    Was ist zu tun, wenn Sie ein Übermaß an Oberschwingungen feststellen?

    Wenn Sie ein Übermaß an Oberschwingungen feststellen, müssen Sie jeden Fall einzeln betrachten und eine entsprechende Entscheidung treffen. Sie können Oberschwingungsfilter kaufen und diese so nah wie möglich an dem Gerät platzieren, von dem die Oberschwingungsströme ausgehen. Es empfiehlt sich, den Gerätehersteller oder einen externen Technikberater zu kontaktieren, um den besten Oberschwingungsfilter für das Problem zu finden. Bei derartigen Filtern gibt es keine Universallösung. Sie müssen die Größe der Last und die einzelnen erzeugten Oberschwingungen berücksichtigen.

    Lüftungssteuerungen
    Abbildung 3. Lüftungssteuerungen, wie z. B. Elektronik und SPS auf der linken Seite dieses Schaltschranks, können durch Oberschwingungen beeinträchtigt werden, was zu einem unsauberen Betrieb der gesteuerten Geräte führt.

    Eine weitere Alternative zur Isolierung des problematischen Geräts besteht in der Verwendung eines Isolierungstransformators. Das Versetzen der nichtlinearen Last, die das Problem verursacht, oder des betroffenen Schaltkreises zu einer anderen Unterverteilung könnte helfen. Wenn beispielsweise die betroffenen Steuerungen von derselben Umverteilung wie die nichtlineare Last, die das Problem verursacht, versorgt werden, kann eine Versetzung des Steuerkreises zu einer anderen Umverteilung eine Verringerung des Problems bewirken. Oberschwingungsprobleme verringern sich oft, wenn sie von der nichtlinearen Last entfernt werden.

    Übersicht

    Moderne elektrische HLK-Geräte sind eine Kombination aus dreiphasigen Antrieben mit variabler Frequenz, die Gebläsemotoren, Kompressoren, Wasserpumpen und Kühlturmventilatoren versorgen. Steuerkreise enthalten SPS und proprietäre elektronische Schaltungen, die Temperaturen, Durchflussraten und Drücke regeln. Siehe Abbildung 3. Während die Antriebe mit variabler Frequenz Beispiele für nichtlineare Lasten sind, die viele Oberschwingungsprobleme verursachen, reichen andere Quellen für Oberschwingungen von Kopiergeräten in Bürobereichen bis zu einem benachbarten Betrieb an derselben Versorgungsleitung.

    Die Auswirkungen von Oberschwingungen auf HLK-Geräte können Fehlauslösungen an Steuerungen oder schwerwiegende Motor- oder Transformatorausfälle sein. Durch Anfangsprüfungen mit zwei Strommesszangen können potenzielle Probleme mit Oberschwingungen einfach identifiziert werden. Jedoch ist der Netz- und Stromversorgungsanalysator der Schlüssel zum Messen, Isolieren und Korrigieren von Oberschwingungsproblemen. Bei modernen HLK-Geräten müssen Ingenieure und Techniker Ursache und Wirkung von Oberschwingungen und die Methoden verstehen, wie Oberschwingungswerte gemessen und gedeutet werden, wenn verwandte Probleme gelöst werden müssen.