Wie verändern 2 %, 4 % und 8 % Impedanz Oberschwingungen und Verluste im Antrieb?

Die Impedanz einer Netzdrossel beeinflusst die Form des vom Frequenzumrichter aufgenommenen Stroms, die Amplitude der Stromimpulse des Gleichrichters und die Verlustbilanz auf der Eingangsseite des Antriebs. Eine Erhöhung der Impedanz von 2 % auf 4 % und anschließend auf 8 % führt jedoch nicht zu einer proportionalen Verringerung des THDi. Das Ergebnis hängt zusätzlich von der Quellenimpedanz, der Belastung und dem Aufbau des DC-Zwischenkreises ab. Eine zu geringe Reaktanz reduziert Oberschwingungen nur begrenzt, während eine zu hohe Reaktanz den Spannungsfall erhöhen und die Versorgungsbedingungen des Frequenzumrichters verschlechtern kann. Der Vergleich verschiedener Impedanzwerte zeigt daher vor allem den praktischen Kompromiss zwischen Stromqualität, Verlusten und verfügbarer Spannung.

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Was bedeuten 2 %, 4 % und 8 % Impedanz einer Netzdrossel in der Praxis?

Die prozentuale Impedanz einer Netzdrossel beschreibt das Verhältnis des durch ihre Reaktanz verursachten Spannungsfalls bei einem definierten Strom und einer bestimmten Frequenz zur Bezugsspannung. Je höher dieser Wert ist, desto stärker begrenzt die Drossel schnelle Stromänderungen und Stromspitzen am Eingangsgleichrichter.

Ein Wert von 2 %, 4 % oder 8 % ist somit kein direkter „Filtergrad“ für Oberschwingungen, sondern ein elektrischer Parameter der Drossel bezogen auf ihre Bemessungsbedingungen. Für die Grundfrequenz gilt näherungsweise X_L = 2πfL. Eine bestimmte prozentuale Impedanz entspricht daher bei vorgegebenen Spannungs-, Strom- und Frequenzwerten einer bestimmten Induktivität.

Bei einem sechspulsigen Frequenzumrichter vergrößert die zusätzliche Induktivität den Leitwinkel der Gleichrichterdioden und reduziert die Amplitude der schmalen Stromimpulse, mit denen die Kondensatoren des DC-Zwischenkreises geladen werden. Eingangsdrosseln werden deshalb unter anderem eingesetzt, um Stromoberschwingungen in AC-Antriebssystemen zu reduzieren.

Die Auswirkungen unterschiedlicher Impedanzwerte lassen sich vereinfacht folgendermaßen einordnen:

• 2 % – relativ geringer Eingriff in die Netzversorgung: Die Drossel begrenzt Stromsteilheit und Stromspitzen, ihr Einfluss auf das Oberschwingungsspektrum bleibt jedoch vergleichsweise moderat.

• 4 % – deutlichere Beeinflussung des Gleichrichterstroms: Der Eingangsstrom wird weniger impulsförmig, während der zusätzliche Spannungsfall noch begrenzt bleibt.

• 8 % – hohe Eingangsreaktanz: Stromspitzen können weiter reduziert werden, gleichzeitig gewinnen Spannungsfall, Eigenverluste der Drossel und die Wechselwirkung mit der Quellenimpedanz stärker an Bedeutung.

• Netzfrequenz: Sie beeinflusst die Reaktanz unmittelbar, da dieselbe Induktivität bei 50 Hz und 60 Hz unterschiedliche Werte von X_L ergibt.

• Bemessungsstrom: Er ist eine wesentliche Bezugsgröße. Die Drossel muss die erforderliche Induktivität im vorgesehenen Strombereich beibehalten, ohne dass der Kern unzulässig in Sättigung gerät.

• Netzimpedanz: Sie addiert sich zur Reaktanz der Drossel. Die tatsächliche Wirkung hängt deshalb auch vom speisenden Transformator und von den Zuleitungen ab.

Bei einer dreiphasigen Netzdrossel sind Werte wie 2 % oder 4 % immer im Zusammenhang mit der konkreten Anwendung zu betrachten und nicht als universelle Auslegungsvorgabe. Eine Impedanz von 8 % erfordert eine besonders sorgfältige Betrachtung des gesamten Einspeisepfads, da eine weitere Erhöhung der Reaktanz keine lineare Verbesserung der Oberschwingungswerte bewirkt.

Warum sinkt der THDi mit steigender Impedanz nicht proportional?

Eine höhere Drosselimpedanz reduziert die Spitzenwerte des Eingangsstroms und kann den THDi verringern. Dieser Zusammenhang ist jedoch nicht linear, sodass der Oberschwingungsgehalt nicht allein aus der Angabe 2 %, 4 % oder 8 % abgeleitet werden kann.

Bei einem sechspulsigen Diodengleichrichter wird der Kondensator des DC-Zwischenkreises hauptsächlich dann nachgeladen, wenn die momentane Leiterspannung höher als die Kondensatorspannung ist. Die zusätzliche Induktivität begrenzt di/dt. Dadurch fließt der Eingangsstrom über einen größeren Teil der Periode und erreicht einen niedrigeren Spitzenwert.

Besonders betroffen sind die für sechspulsige Gleichrichter charakteristischen Oberschwingungen, darunter die 5. und 7. Harmonische. In einem 50-Hz-Netz liegen deren Frequenzen bei 250 beziehungsweise 350 Hz.

Mit weiter steigender Induktivität wird der zusätzliche Nutzen jedoch zunehmend kleiner, da die Stromform weiterhin durch die Topologie des Gleichrichters und den kapazitiven Zwischenkreis bestimmt wird. Bei einem typischen sechspulsigen Antrieb ist eine Eingangsdrossel daher eine wirksame Maßnahme zur Oberschwingungsreduzierung, erreicht jedoch nicht die Werte eines Active-Front-End-Antriebs oder eines speziell ausgelegten Oberschwingungsfilters.

Für einen sechspulsigen Frequenzumrichter mit einem 5-%-Reaktor werden beispielsweise typische THDi-Werte von etwa 35–45 % angegeben, wobei die tatsächlichen Ergebnisse von der jeweiligen Systemkonfiguration abhängen. Der Wechsel von 4 % auf 8 % sollte deshalb nicht mit der Erwartung begründet werden, den THDi automatisch zu halbieren. Ein solcher Vergleich würde die Netzimpedanz, die Belastung und die Auslegung des Frequenzumrichters außer Acht lassen.

Wie beeinflusst die Drosselimpedanz Verluste und DC-Zwischenkreisspannung?

Eine höhere Impedanz begrenzt den Spitzenstrom des Gleichrichters, erhöht aber gleichzeitig den Spannungsfall an der Drossel und verursacht zusätzliche Kupfer- und Kernverluste.

Die Energiebilanz muss deshalb für das gesamte Antriebssystem betrachtet werden und nicht ausschließlich anhand des THDi. Für eine symmetrische dreiphasige Drossel können die Kupferverluste näherungsweise mit P_Cu = 3I_RMS²R beschrieben werden. Hinzu kommen Kernverluste, deren Höhe unter anderem von Frequenz, magnetischer Flussdichte und den Eigenschaften des Kernmaterials abhängt.

Gleichzeitig kann eine Reduzierung der Oberschwingungsströme zusätzliche Verluste in speisenden Transformatoren und Leitungen vermindern, da harmonische Ströme deren thermische Belastung erhöhen. Für eine Gesamtbewertung sind daher insbesondere die I²R-Verluste in den Wicklungen der Drossel, die Kernverluste, der Spannungsfall am Eingang des Frequenzumrichters, die DC-Zwischenkreisspannung, der RMS-Strom des Gleichrichters sowie die durch Oberschwingungen verursachten zusätzlichen Verluste in Transformatoren und Kabeln relevant.

Die prozentuale Impedanz entspricht dabei nicht automatisch einem gleich hohen Wirkleistungs-Spannungsabfall im realen Betrieb eines nichtlinearen Gleichrichters. Je höher die eingesetzte Reaktanz ist, desto wichtiger wird daher die Überprüfung der verfügbaren DC-Spannungsreserve bei minimaler Netzspannung.

Ist eine Impedanz von etwa 4 % ein sinnvoller Kompromiss für einen typischen Frequenzumrichter?

Eine Drossel mit etwa 4 % Impedanz kann in vielen Anwendungen einen günstigeren Kompromiss bieten als eine sehr kleine oder sehr große Reaktanz, weil sie Stromimpulse deutlich begrenzt, ohne so stark in die Spannungsversorgung einzugreifen wie eine 8-%-Ausführung. Das bedeutet jedoch nicht, dass 4 % für jeden Antrieb optimal sind.

In industriellen Anwendungen sind beispielsweise Netzdrosseln mit 3 % und 5 % Impedanz verbreitet. Eine höhere Impedanz wird gewählt, wenn eine stärkere Begrenzung von Stromspitzen oder Oberschwingungen erforderlich ist und der zusätzliche Spannungsfall im System akzeptiert werden kann.

Inducto fertigt magnetische Komponenten, deren technische Parameter an die jeweilige Anwendung angepasst werden können. Die endgültige Auslegung sollte auf Bemessungsstrom, erforderlicher Induktivität, Netzimpedanz, zulässigem Temperaturanstieg und dem Verhalten des gesamten Frequenzumrichters basieren.

Wann kann eine Impedanz von 8 % mehr Nachteile als Vorteile verursachen?

Eine Netzdrossel mit 8 % Impedanz kann ungünstig sein, wenn das Versorgungsnetz bereits eine hohe Impedanz besitzt oder der Frequenzumrichter nur eine geringe Reserve zwischen der minimalen Eingangsspannung und der erforderlichen DC-Zwischenkreisspannung aufweist.

Die Gesamtreaktanz aus Quelle und Drossel erhöht dann den Spannungsfall unter Last, während die zusätzliche Verringerung der Oberschwingungen im Verhältnis zu den entstehenden Nachteilen immer kleiner werden kann. Besondere Aufmerksamkeit erfordern Systeme mit bereits hoher Quellenimpedanz. Wird beispielsweise zwischen Generator und Frequenzumrichter eine zusätzliche Drossel eingesetzt, kann die gesamte Impedanz des Versorgungssystems weiter steigen und unter bestimmten Bedingungen die Spannungsstabilität beeinträchtigen.

Bei Werten um 8 % sollten deshalb die minimale DC-Zwischenkreisspannung, die für den Motor verfügbare Ausgangsspannung und das dynamische Verhalten des gesamten Antriebs geprüft werden. Eine höhere Induktivität ist nicht automatisch gleichbedeutend mit einer technisch besseren Filterung.

Die Wahl zwischen 2 %, 4 % und 8 % sollte sich aus der Charakteristik des gesamten Versorgungssystems ergeben und nicht aus einem einzelnen gewünschten THDi-Wert. Eine 2-%-Drossel beeinflusst den Eingangsstrom vergleichsweise moderat, bei 4 % werden die Stromimpulse deutlicher begrenzt, während bei 8 % Spannungsfall und Eigenverluste stärker in den Vordergrund treten. Die tatsächliche Wirkung muss für die vorhandene Netzimpedanz und das reale Lastprofil beurteilt werden. Der niedrigste THDi bedeutet nicht zwangsläufig die beste energetische Gesamtbilanz des Antriebs.

Das Wichtigste zur Auswahl der Impedanz einer Netzdrossel

• Die prozentuale Impedanz beschreibt die Reaktanz der Drossel bezogen auf ihre Bemessungsparameter und keinen garantierten Grad der Oberschwingungsreduzierung.

• Eine höhere Eingangsreaktanz verlängert den Leitwinkel des Diodengleichrichters und reduziert den Spitzenwert der Stromimpulse beim Laden des DC-Zwischenkreises.

• Die Verringerung des THDi verläuft mit steigender Impedanz nicht linear. Eine 8-%-Drossel liefert daher nicht automatisch ein doppelt so gutes Ergebnis wie eine 4-%-Drossel.

• Eine höhere Induktivität verursacht zusätzlichen Spannungsfall und Eigenverluste, die gegen die Verringerung der Oberschwingungsverluste in anderen Teilen der Installation abgewogen werden müssen.

• Quellenimpedanz und Drosselreaktanz bilden gemeinsam die vom Frequenzumrichter gesehene Eingangsimpedanz. Derselbe Baustein kann sich deshalb in unterschiedlichen Anlagen verschieden verhalten.

• Die Auslegung sollte THDi, DC-Zwischenkreisspannung und die thermische Belastung der Drossel unter realen Strom- und Lastbedingungen berücksichtigen.

FAQ

Reduziert eine 8-%-Netzdrossel Oberschwingungen immer stärker als eine 4-%-Drossel?

Bei ansonsten identischen Bedingungen begrenzt eine höhere Reaktanz die Stromspitzen in der Regel stärker. Die Verbesserung des THDi steigt jedoch nicht proportional mit der Impedanz. Bei 8 % kann der zusätzliche Oberschwingungsvorteil durch einen höheren Spannungsfall und eine ungünstige Wechselwirkung mit der Quellenimpedanz relativiert werden.

Kann die prozentuale Impedanz einer Netzdrossel direkt in eine Induktivität umgerechnet werden?

Ja, dafür müssen jedoch Bezugsspannung, Bemessungsstrom und Frequenz bekannt sein. Nach der Berechnung der erforderlichen Reaktanz X_L lässt sich die Induktivität mit L = X_L/(2πf) bestimmen. Die reale Konstruktion muss diese Induktivität im vorgesehenen Strombereich ausreichend beibehalten.

Kann eine Netzdrossel einen Oberschwingungsfilter ersetzen?

Nein. Eine Eingangsdrossel reduziert die vom Gleichrichter erzeugten Oberschwingungen, ist jedoch nicht mit einem aktiven oder speziell abgestimmten passiven Oberschwingungsfilter gleichzusetzen. Wenn ein sehr niedriger THDi gefordert wird, kann eine andere Gleichrichtertopologie oder ein dediziertes Filtersystem erforderlich sein. Active-Front-End-Antriebe können beispielsweise deutlich niedrigere THDi-Werte erreichen als ein klassischer sechspulsiger Antrieb mit Eingangsdrossel.