Da moderne Stromversorgungssysteme zunehmend auf nichtlineare Lasten angewiesen sind, ist die gesamte harmonische Verzerrung des Stroms (THDi) zu einem entscheidenden Faktor für die Gewährleistung der Stromqualität und der Langlebigkeit der Geräte geworden. In diesem Artikel untersuchen wir, was THDi ist, welche Ursachen es hat, welche Auswirkungen es auf die Geräte hat und wie man sie mithilfe fortschrittlicher Oberschwingungsfiltertechniken verringern kann.

1. Was ist THDi?

THDi steht für Total Harmonic Current Distortion (Gesamtverzerrung des harmonischen Stroms). Der Wert wird verwendet, um den Grad der Verzerrung der Stromwellenform in einem Stromnetz zu messen. Er stellt das Verhältnis des gesamten harmonischen Stroms zum Grundstrom dar und wird üblicherweise in Prozent angegeben.

Gemäß der nationalen Norm GB/T 14549-93:

Öffentliche Netze: THDi < 5 %

Hochspannungsnetze (>10kV): THDi < 4%

Industrielle Systeme: THDi < 5 %

Wohnanlagen: THDi < 3 %

High-End-Systeme (z. B. Energiespeicher): THDi kann < 3 % sein

2. Hauptquellen harmonischer Verzerrungen THDi entsteht hauptsächlich bei nichtlinearen Lasten – also bei Geräten, bei denen das Spannungs-Strom-Verhältnis nicht dem Ohmschen Gesetz folgt. Diese Geräte ziehen selbst bei sinusförmiger Spannung nicht sinusförmige Ströme und erzeugen Oberschwingungen bei Vielfachen der Grundfrequenz.

Wichtige Beispiele sind:

Halbleiterschaltgeräte (Dioden, Thyristoren, IGBTs): verursachen gepulste oder abgeschnittene Wellenformen, die zu Harmonischen höherer Ordnung führen.

Industrielle Ladegeräte mit Gleichrichtung : 6-Puls-Gleichrichter erzeugen einen THDi-Wert von >30 %, mit der 5., 7., 11. und 13. Harmonischen. 12-Puls-Gleichrichter reduzieren den THDi-Wert auf 8–10 %, erfordern aber dennoch eine Filterung.

3. Auswirkungen eines hohen THDi auf Geräte

1. Überhitzung und Leistungsminderung des Transformators Oberschwingungsströme erhöhen Wirbelstrom-, Kupfer- und Streuverluste in Transformatoren. Der Skin-Effekt verstärkt sich, führt zu einem Temperaturanstieg und erfordert eine Leistungsreduzierung (typischerweise 15–20 %). Langfristige Überhitzung führt zur Alterung der Isolierung und verkürzt die Lebensdauer.

2. Kondensatorresonanz und Explosionsgefahr Kondensatoren haben eine frequenzabhängige Reaktanz. Oberschwingungen höherer Ordnung (z. B. 11.) können Resonanzen und Stromstöße verursachen. Daten aus der Praxis zeigen harmonische Stromspitzen von 1,3 % bis 39 %, die zu Kondensatorüberspannungen und möglichen Explosionen führen.

3. Verschlechterung der Kabelisolierung Oberschwingungen verstärken den Skin-Effekt und die doppelte Kabelerwärmung. Überlagerte dritte Harmonische in unsymmetrischen Systemen erhöhen den Neutralleiterstrom auf das bis zu Dreifache des Phasenstroms und erhöhen so das Risiko von Entladungen, Kurzschlüssen und Bränden.

4. Spannungsverzerrung und Gerätestörung Wenn THDi 15 % übersteigt, nimmt die Spannungsverzerrung (THDu) zu, was sich auf Präzisionssteuerungssysteme und empfindliche Elektronik auswirkt.

4. Wirksame Maßnahmen zur Oberschwingungsminderung

1. Upgrade auf 12-Puls-Gleichrichter Durch den Austausch von 6-Puls-Gleichrichtern wird der THDi-Wert von 30–40 % auf 8–12 % reduziert.

2. Leistungsfaktorkorrektur (PFC) Aktive PFC-Schaltungen in Ladegeräten und Netzteilen können die 5. und 7. Harmonische unterdrücken und so einen THDi-Wert von <5 % erreichen.

3. Aktive Leistungsfilter (APF) APFs erkennen Oberschwingungen in Echtzeit und leiten Kompensationsströme ein. Mit einer Reaktionszeit von <5 ms und einer Unterdrückungseffizienz von 95 % decken sie die 2. bis 50. Harmonische ab. In Kombination mit passiven LC-Filtern können sie die 11. und 13. Harmonische effektiv eliminieren – ideal für den Transformatorschutz.

5. Anwendungsszenarien aus der Praxis

Unsere Oberwellenfilterlösungen haben in Kombination mit EverExceed-Industrieladegeräten die Stromqualität in wichtigen Infrastrukturen deutlich verbessert:

Verkehrsknotenpunkte (Hochgeschwindigkeitszüge und U-Bahn-Stationen)

Städtische Einrichtungen und Umspannwerke

Kraftwerksbeleuchtungsanlagen und Schaltanlagen

Bei diesen Einsätzen stiegen die Spannungsqualifizierungsraten von 75 % auf 99 % und die Komponentenschäden aufgrund von Spannungsinstabilitäten gingen um 90 % zurück.

Fazit: Warum THDi-Management wichtig ist THDi ist mehr als ein technischer Parameter – es ist ein wichtiger Indikator für den Zustand des Stromnetzes. Proaktive Oberwellenminderung schützt Ihre Geräte, verbessert die Effizienz und gewährleistet Betriebsstabilität.

EverExceed bietet fortschrittliche Oberschwingungsfilterlösungen für industrielle Anwendungen. Kontaktieren Sie uns noch heute und erfahren Sie, wie wir Ihnen helfen können, Ihre Stromversorgungssysteme hinsichtlich Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit zu optimieren.