5 Anzeichen dafür, dass Sie jetzt einen aktiven Oberschwingungsfilter benötigen

Übermäßige Überhitzung von Geräten und vorzeitiger Ausfall

Wie Oberschwingungsverzerrung thermische Belastung in Transformatoren, Kabeln und Motoren verursacht

Wenn harmonische Ströme durch elektrische Systeme fließen, entstehen Widerstandsverluste, die als I-Quadrat-R-Heizung bekannt sind, und diese Verluste verschlimmern sich deutlich schneller, wenn die Frequenzen ansteigen. Auch Motoren leiden unter diesem Problem, da hochfrequente Oberschwingungen unerwünschte Wirbelströme in den Rotorbauteilen erzeugen. Gleichzeitig müssen Transformatoren bei verzerrten Spannungsformen stärker arbeiten, als sie ausgelegt sind, und überschreiten oft ihre vorgesehenen kVA-Grenzwerte. Eine aktuelle Studie zu Stromversorgungssystemen aus dem Jahr 2023 ergab eine ziemlich beunruhigende Erkenntnis für Facility-Manager: In Anlagen, die mit einer Gesamtharmonischen Verzerrung über 18 % betrieben werden, baut sich die Kabelisolation etwa 25 % schneller ab als bei Anlagen, die den IEEE-519-Standards entsprechen. Diese Art von Verschleiß summieren sich im Laufe der Zeit und verursachen Kosten für Reparaturen und Ersatz.

Rolle des aktiven Oberschwingungsfilters bei der Minderung von Überhitzung und der Verlängerung der Gerätelebensdauer

Aktive Oberschwingungsfilter reduzieren thermische Belastungen, indem sie genau entgegengesetzte Oberschwingungsströme erzeugen, sobald diese auftreten. Dadurch sinkt die Temperatur von Transformatoren um etwa 18 Grad Celsius (rund 32 Grad Fahrenheit), wie Tests in mehreren Fabriken gezeigt haben. Passive Filter unterscheiden sich dadurch, dass sie manchmal Resonanzprobleme verursachen. Die neueren aktiven Versionen passen sich automatisch an, wenn sich die Oberschwingungsmuster ändern – etwas, das herkömmliche Systeme einfach nicht können. Die meisten Anlagen erreichen nach der Installation einen Leistungsfaktor von über 0,98, wobei die Ergebnisse je nach spezifischen Bedingungen und Alter der Geräte variieren.

Fallstudie: Reduzierung von Motorausfällen in einer Industrieanlage durch die Installation aktiver Oberschwingungsfilter

Ein Verpackungswerk im mittleren Westen der USA senkte die Kosten für Motorersetzungen innerhalb von 12 Monaten nach der Installation eines 600A-aktiven Oberschwingungsfilter-Systems um 72 %. Die aufgezeichneten Daten zeigten:

Parameter	Vor der Installation	Nach der Installation
Wicklungstemperatur des Motors	148 °C	112°C
Lageraustausch	19/Monat	5/Monat
Energiekosten	42.800 $/Monat	37.200 $/Monat

Die 186.000-Dollar-Investition erreichte nach 22 Monaten eine vollständige Amortisation durch kombinierte Energieeinsparungen und geringere Wartungskosten.

Häufige Fehlfunktionen in empfindlichen elektronischen Systemen

Auswirkungen der Oberschwingungsbelastung auf Steuerungssysteme und IT-Infrastruktur

Wenn harmonische Verunreinigungen ins Spiel kommen, stören sie die sauberen Spannungsformen und verursachen allerlei Probleme bei empfindlicher elektronischer Ausrüstung. Auch die Zahlen erzählen eine deutliche Geschichte: Einrichtungen, die eine Gesamtharmonischen-Verzerrung (THD) der Spannung von über 5 % aufweisen, verzeichnen etwa ein Drittel mehr Fehlercodes bei ihren SPS-Systemen. Und wenn die THD die Marke von 8 % überschreitet, müssen Server laut jüngsten Umfragen aus dem Jahr 2023 auf Industriestandorten fast um die Hälfte häufiger neu gestartet werden. Was viele Ingenieure zu wenig thematisieren, ist die zunehmende dielektrische Belastung von Kondensatoren durch diese Oberschwingungsströme, die buchstäblich dazu führt, dass Leiterplatten schneller altern als normal. Dieses Problem wird besonders gravierend für Betriebe, die viele frequenzgeregelte Antriebe und Schaltnetzteile betreiben, wie wir sie heute überall finden. Allein diese Geräte sind für etwa 60 bis 85 Prozent aller Oberschwingungsströme verantwortlich, die durch moderne elektrische Gebäudeanlagen fließen.

Wiederherstellung sauberer Energie mit aktiven Oberschwingungsfiltern durch Wellenformkorrektur

Aktive Oberschwingungsfilter nutzen Echtzeitüberwachung und IGBT-Technologie (Insulated-Gate Bipolar Transistor), um Oberschwingungsfrequenzen (2. bis 50. Ordnung) zu erkennen, gegenphasige Ströme einzuspeisen und den THD-Wert auf unter 3 % zu senken. Durch die Rekonstruktion sauberer sinusförmiger Wellenformen eliminieren diese Systeme 92 % der Spannungseinbrüche, die mit Datenkorruption in digitalen Steuersystemen verbunden sind.

Praxisanwendung: Schutz empfindlicher Verbraucher in Gewerbegebäuden

Ein Rechenzentrum im mittleren Westen verzeichnete einen beeindruckenden Rückgang der SCADA-Systemfehler – um etwa 78 % –, nachdem ein aktiver 400A-Harmonikfilter installiert wurde. Der Filter senkte die Strom-Oberschwingungsgehalte (THD) von problematischen 15 % auf Werte, die von den meisten als normal angesehen werden. Mit dieser Lösung wurden mehrere langwierige Probleme behoben, darunter die lästigen, durch elektromagnetische Störungen (EMI) verursachten Firewall-Neustarts, die immer wieder zu ungünstigen Zeitpunkten auftraten. Zudem gab es weniger Spannungseinbrüche, die während kritischer Abläufe die Temperaturregelungssysteme beeinträchtigten, und die ständigen Fehlalarme von USV-Systemen hörten endlich auf, das Personal zu belasten. Auf der Kostenseite fielen die jährlichen Wartungsausgaben um nahezu die Hälfte, was deutlich unterstreicht, wie wichtig eine ordnungsgemäße Harmonischenmanagement ist, um einen reibungslosen Betrieb ohne unerwartete Unterbrechungen sicherzustellen.

Überlastung von Kondensatorbänken und Probleme durch harmonische Resonanz

Blindleistungs-Kompensationsanlagen stehen vor ernsthaften Problemen, wenn harmonische Resonanz auftritt. Kondensatorbänke können Probleme verursachen, wenn sie mit der Systeminduktivität bei bestimmten Oberschwingungsfrequenzen wechselwirken. Dadurch sinkt die Impedanz plötzlich stark ab. Dies führt zu Verzerrungsströmen, die gemäß dem IEEE-Standard 18-2020 um bis zu 400 Prozent ansteigen können. Die Folge dieser Situation ist eine stärkere Alterung der Kondensatoren, da mehrere Faktoren zusammenspielen. Dazu gehören die dielektrische Belastung durch elektrische Felder, Stromstärken, die über den Nennwert der Kondensatoren hinausgehen, sowie eine deutliche Erhöhung der Innentemperatur aufgrund der erzeugten Zusatzwärme. Diese kombinierten Effekte verkürzen die Lebensdauer der betroffenen Bauteile erheblich.

Gefahren der harmonischen Resonanz in Blindleistungs-Kompensationsanlagen verstehen

73 Prozent der Kondensatorausfälle in industriellen Umgebungen gehen auf nicht diagnostizierte harmonische Resonanz zurück (IEEE Power Quality Report 2022). Herkömmliche Leistungsfaktorkorrektursysteme können das Problem verschärfen, wenn harmonische Frequenzen mit den natürlichen Resonanzpunkten zusammenfallen, berechnet als:

f_resonance = f_base × √(SSC / Q)

Wobei SSC die Kurzschlussleistung des Systems und Q die Nennleistung des Kondensatorfeldes ist. Wie aktuelle Stromqualitätsstudien zeigen, lösen häufig auftretende 5. und 7. Harmonische (300–420 Hz) oft Resonanzen in standardmäßigen 50-Hz-/60-Hz-Netzen aus.

Verhinderung von Kondensatorausfällen durch aktive Oberschwingungsfilter anstelle passiver Lösungen

Moderne aktive Oberschwingungsfilter speisen Auslöschströme innerhalb von 50 Mikrosekunden ein – 25-mal schneller als typische Kondensatorreaktionszeiten –, ohne neue Resonanzrisiken einzuführen. Im Gegensatz zu passiven Filtern bieten sie eine breitbandige Korrektur im Bereich der 2. bis 51. Harmonischen und erfordern keine manuelle Abstimmung.

Funktion	Passive Filter	Aktive Filter
Resonanzrisiko	Hoch	Keine
THD-Reduktionsbereich	Feste Frequenzen	2. bis 51. Harmonische
Instandhaltungsbedarf	Vierteljährliche Abstimmung	Selbstmonitoring

Eine technische Überprüfung aus dem Jahr 2023 an 47 Anlagen ergab, dass der Einsatz aktiver Filter die Kosten für den Kondensatoraustausch im Vergleich zu passiven Systemen um 92 % senkte und sich innerhalb von weniger als 14 Monaten durch vermiedene Ausfallzeiten und Wartungskosten amortisierte.

Hohe Gesamte Verzerrung (THD) übersteigt die Normen

Messung der Spannungs- und Strom-Oberwellenverzerrung (THD) zur Beurteilung der Netzqualität gemäß den geltenden Vorschriften (z. B. IEEE-519)

THD, oder Total Harmonic Distortion, gibt uns im Wesentlichen an, wie viel unerwünschtes harmonisches Rauschen in unseren elektrischen Systemen vorhanden ist. Der neueste IEEE-Standard aus dem Jahr 2022 empfiehlt, die Spannungsverzerrung unter 5 % und die Stromverzerrung unter 8 % zu halten. Doch schauen Sie sich heutzutage die meisten Industrieanlagen an, insbesondere solche mit vielen Frequenzumrichtern, und was stellen Sie fest? An zentralen Stellen im System liegen die THD-Werte oft deutlich über 15 %. Das ist etwa 2,7-mal höher als das akzeptable Maß. Und die Lage verschlechtert sich noch, wenn man aktuelle Daten betrachtet. Ein im Jahr 2024 veröffentlichter Compliance-Bericht zeigt, dass etwa jede fünfte Fertigungsanlage in den Vereinigten Staaten weiterhin mit THD-Werten zu kämpfen hat, die die neuen Standards überschreiten, obwohl die Aufsichtsbehörden die Vorgaben etwas gelockert haben, um erneuerbaren Energien Rechnung zu tragen.

Aktive Filter zur Echtzeit-Reduzierung der THD von >18 % auf <5 %

Harmonische Filter funktionieren tatsächlich ziemlich schnell und beseitigen störende Verzerrungen bereits nach nur 2 Millisekunden, wie einige aktuelle Tests aus dem Jahr 2023 gezeigt haben. Diese Geräte verfügen über eine intelligente, integrierte Anpassungsfähigkeit, die dafür sorgt, dass alles auch bei den unterschiedlichsten elektrischen Lasten konform bleibt, wie sie heutzutage häufig vorkommen – beispielsweise bei großen Industrierobotern in Fabriken oder an den immer häufiger auftauchenden superschnellen EV-Ladestationen. Ein Beispiel ist ein Halbleiterwerk, das erhebliche Probleme mit der Netzqualität hatte, wodurch die Produktion beeinträchtigt wurde. Nach der Installation dieser modularen aktiven Filter gelang es, die Spannungs-THD-Werte dramatisch von etwa 17,8 % auf rund 3,2 % zu senken. Diese Verbesserung brachte jährliche Einsparungen von schätzungsweise 740.000 Dollar, da nicht mehr so viele Wafer durch lästige Spannungsschwankungen zerstört wurden, die früher ständig ganze Produktionschargen ruinierten.

Wachsender Branchentrend: Anlagen setzen aktive Oberschwingungsfilter ein, um gesetzliche Grenzwerte einzuhalten

Laut Grand View Research aus dem Jahr 2024 dürfte der weltweite Markt für aktive Oberschwingungsfilter bis 2030 jährlich um rund 8,9 % wachsen. Ein wesentlicher Grund hierfür sind die strengen Vorschriften zur Netzqualität, die mittlerweile in 14 G20-Ländern durchgesetzt werden. Viele Lebensmittelverarbeiter wechseln von herkömmlichen Kondensatorbänken auf diese moderneren aktiven Systeme. Branchenberichten zufolge sanken bei nahezu zwei Dritteln der Betriebe die Wartungskosten nach der Installation, während fast die Hälfte das begehrte ENERGY STAR-Siegel für ihre Betriebe erhielt. Der eigentliche Treiber hinter dieser Entwicklung ist, dass Energieversorger nun massiv gegen Probleme mit der Gesamtoberwellenverzerrung vorgehen. Betriebe, bei denen über längere Zeit hinweg Werte über 8 % gemessen werden, könnten in gewerblichen Bereichen Bußgelder in Höhe von bis zu 12 US-Dollar pro Kilowattstunde drohen.

FAQ

Was ist Oberschwingungsverzerrung?

Oberschwingungsverzerrung in elektrischen Systemen bezeichnet Abweichungen von reinen sinusförmigen Wellenformen, die typischerweise durch nichtlineare Lasten wie Motoren oder elektronische Geräte verursacht werden.

Wie beeinflusst Oberschwingungsverzerrung Transformatoren?

Verzerrte Wellenformen können Transformatoren überlasten, wodurch diese über ihre Kapazität hinaus betrieben werden, was zu Überhitzung und vorzeitigem Ausfall führen kann.

Was sind aktive Oberschwingungsfilter?

Aktive Oberschwingungsfilter sind fortschrittliche Geräte, die Oberschwingungsströme durch Einspeisung entgegengesetzter Phasen kompensieren und so die Gesamte Oberschwingungsverzerrung (THD) in elektrischen Systemen reduzieren.

Warum verursachen frequenzvariable Antriebe Oberschwingungsverschmutzung?

Frequenzvariable Antriebe verändern die Frequenz der an Motoren gelieferten Leistung und erzeugen dabei Oberschwingungsströme, die zur Verschmutzung des elektrischen Systems beitragen.