Zusammenfassung: Dieser Artikel analysiert das Prinzip der Oberwellenkompensation mittels Synchronmotoren und zeigt, dass die Einspeisung geeigneter geradzahliger Oberwellenströme in die Erregerwicklung von Synchronmotoren ungeradzahlige Oberwellenströme im Stromnetz kompensieren kann. Zwei Methoden der aktiven und passiven Oberwellenanregung werden vorgestellt. Schlüsselwörter: Synchronmotor; Oberwellenkompensation; Oberwellenanregungsschaltung. 0. Einleitung: Mit der Entwicklung der Leistungselektronik in den letzten Jahren wurden zahlreiche nichtlineare Lasten in die Stromnetze integriert, was zu einer Verschlechterung verschiedener Betriebsindikatoren geführt hat. Zu den wichtigsten zählen Oberwellenbelastung und niedriger Leistungsfaktor. Die Entwicklung der Leistungselektronik hat auch neue Lösungsansätze für diese Probleme hervorgebracht, die passiv oder aktiv umgesetzt werden können. Aktive Leistungsfilter (APF) sind eine effektive Kompensationsmethode. Sie können Oberwellen und Blindleistung dynamisch kompensieren und weisen gute Kompensationseigenschaften auf. Allerdings weisen die derzeitigen großvolumigen APF Nachteile wie hohe Kosten, hohen Stromverbrauch und starke elektromagnetische Störungen auf, was ihren Einsatz in der Praxis einschränkt [1]. Wie allgemein bekannt, können Synchronmotoren Blindleistung kompensieren. Die gleichzeitige Nutzung von Synchronmotoren zur Oberwellenkompensation eröffnet neue Möglichkeiten für die aktive Filterung. Diese Arbeit analysiert theoretisch die Oberwellenkompensationsfunktion von Synchronmotoren und stellt einen neuen Ansatz zur umfassenden Blindleistungs- und Oberwellenkompensation mit Synchronmotoren vor. Tatsächlich haben einige Forscher im Ausland bereits Untersuchungen und Experimente auf diesem Gebiet durchgeführt [2][3][4]. 1. Prinzip der Oberwellenkompensation von Synchronmotoren: Am Beispiel eines zweipoligen Schenkelpol-Synchronmotors zeigt Abbildung 1 die Verteilung der magnetomotorischen Kraft nach Anlegen des Erregerstroms an den Rotor. Bei einer Rotorrotation mit der synchronen Kreisfrequenz ω und Anlegen eines Oberwellenstroms Ih sinhωt an die Erregerwicklung entsteht eine pulsierende magnetomotorische Kraft mit der Kreisfrequenz hω. Diese pulsierende magnetomotorische Kraft lässt sich in zwei gegenläufige, rotierende magnetomotorische Kräfte zerlegen. Diese beiden rotierenden magnetomotorischen Kräfte schneiden die Statorwicklung mit den Winkelfrequenzen (h+1)ω bzw. (h-1)ω in positiver und negativer Richtung, wodurch ein Oberwellenstrom (h±1) in der Statorwicklung erzeugt wird. Daraus lässt sich ableiten, dass bei Einspeisung eines Oberwellenstroms gerader Ordnung in die Erregerwicklung ein Oberwellenstrom ungerader Ordnung in der Statorwicklung entsteht. Basierend auf diesem Prinzip können Oberwellenströme gerader Ordnung in die Erregerwicklung eingespeist werden, um die Amplitude des Netzoberwellenstroms zu kompensieren. Die beiden Oberwellen ungerader Ordnung lassen sich jedoch nicht allein durch Ih regulieren. Am Beispiel der Kompensation der 5. und 7. Oberwelle lässt sich zeigen: Um Amplitude und Phase der durch den Erregerstrom erzeugten Oberwellen zu steuern, können die 2., 4. und 6. Oberwelle in den Erregerstrom eingespeist werden. Vernachlässigt man die harmonische magnetomotorische Kraft (MTF) im Luftspalt aufgrund der Statorwicklungsinduktivität, so ist die Amplitude der von der 6. Harmonischen erzeugten 7. Harmonischen kleiner als die der 5. Harmonischen. Da die Amplitude der 5. Harmonischen bei nichtlinearen Lasten im Allgemeinen größer ist als die der 7. Harmonischen, kann zur vollständigen Kompensation der 5. Harmonischen ein Strom der 4. Harmonischen in die Erregerwicklung eingespeist werden. Dieser Erregerstrom der 4. Harmonischen erzeugt gleichzeitig einen Ankerstrom der 3. Harmonischen. Analog kann ein Strom der 2. Harmonischen in die Erregerwicklung eingespeist werden, um die erzeugte Ankerharmonische der 3. Ordnung zu kompensieren. Mit dieser Methode verbleibt im Luftspalt nur die Grundfrequenz. Der Erregerstrom lässt sich wie folgt ausdrücken: Die Amplitude jedes Stroms kann anhand der Amplituden der 5. und 7. Harmonischen im Stromnetz bestimmt werden. Selbstverständlich können bei Bedarf weitere höhere Harmonische in den Erregerstrom eingespeist werden, um die entsprechenden höheren Harmonischen zu kompensieren. 2. Beschreibung des Harmonischenkompensationsschemas Abbildung 2 zeigt das Blockdiagramm der Harmonischenkompensation mit einem Synchronmotor. Es wird angenommen, dass die nichtlineare Last an ein unendliches Stromnetz angeschlossen ist und ihr Laststrom Harmonische enthält, die hauptsächlich von der 5. und 7. Harmonischen dominiert werden. Der Synchronmotor ist parallel zur nichtlinearen Last geschaltet. Das Kompensationsschema läuft wie folgt ab: Zunächst werden Amplitude und Phase des durch die nichtlineare Last verursachten Harmonischenstroms erfasst; anschließend wird der erforderliche Harmonischenkompensationsstrom berechnet; schließlich wird der entsprechende Erregerstrom im Erregerkreis erzeugt. Dadurch erzeugt der Motor einen Strom, der den Lastharmonischenstrom kompensiert. 3. Schema zur Erzeugung von Harmonischenerregungsquellen Wie aus der obigen Analyse hervorgeht, wird die Harmonischenkompensation eines Synchronmotors durch die Steuerung und Anpassung des Erregerharmonischenstroms in Abhängigkeit von dessen Amplitude erreicht. Der Erreger-Oberschwingungsstrom kann auf zwei Arten erzeugt werden: passiv und aktiv. 1) Erzeugung des Erreger-Oberschwingungsstroms durch Resonanz im Erregerkreis; 2) Zufuhr des Erreger-Oberschwingungsstroms durch eine externe Wechselstromquelle. 3.1 Internes Resonanzverfahren im Erregerkreis: In [2] wird die Verwendung eines Resonanz-Erregerkreises zur Oberschwingungsunterdrückung beschrieben. Der zugehörige Erregerkreis ist in Abbildung 3 dargestellt: Der Resonanzkondensator Cd ist an die Erregerwicklung angeschlossen. Wenn der Kondensator mit der durch die Anker-Oberschwingungsströme 5. und 7. Ordnung auf der Rotorseite induzierten elektromotorischen Kraft in Resonanz gerät, fließt der Oberschwingungsstrom 6. Ordnung durch die Erregerwicklung. Die Ankerimpedanz sinkt entsprechend. Da der Synchronmotor parallel zum Stromnetz geschaltet ist, ist der durch beide fließende Oberschwingungsstrom proportional zur Admittanz beider. Daher sinkt der durch das Stromnetz fließende Oberschwingungsstrom, wodurch eine Oberschwingungskompensation erreicht wird. Aus den experimentellen Ergebnissen geht hervor, dass bei Resonanz des Kondensators im Erregerkreis auf die 6. Harmonische die beiden Hauptharmonischen des Stromnetzes, die 5. und 7. Harmonische, deutlich reduziert werden und auch die 11. und 13. Harmonische bis zu einem gewissen Grad abgeschwächt werden. Dieses Verfahren eignet sich für Situationen mit relativ konstanten Harmonischen. Es ist einfach umzusetzen und benötigt keine zusätzliche Steuerschaltung, kann jedoch die 5. und 7. Harmonische nicht vollständig eliminieren. 3.2 Externe aktive Harmonischenanregung: Die externe aktive Harmonischenanregung kann die gewünschten Stromharmonischen vollständig eliminieren. Der zugehörige Erregerkreis ist in Abbildung 4 dargestellt: Die Erregerwicklung wird sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom versorgt. Lb und Cac sind die Drosselspule bzw. der Gleichstrom-Sperrkondensator. Am Beispiel der vollständigen Eliminierung der 5. und 7. Harmonischen zeigt Abbildung 5 die folgenden Schritte des Verfahrens zur Steuerung der Erregung des Synchronmotors: Zunächst werden Amplitude und Phase der 5. und 7. Harmonischen mittels schneller Fourier-Zerlegung ermittelt. Der zur vollständigen Eliminierung der 5. und 7. Harmonischen erforderliche Referenzstrom wird berechnet, um die PWM-Schaltung zur Erzeugung des entsprechenden Erregerstroms anzusteuern. Die experimentellen Ergebnisse aus Referenz [3] zeigen, dass die von der parallel zum Synchronmotor im Stromnetz geschalteten nichtlinearen Last erzeugten Ströme der 5. und 7. Harmonischen durch geeignete Steuerung der der Erregerwicklung zugeführten Ströme der 2., 4. und 6. Harmonischen vollständig kompensiert werden können. Obwohl die Erregerschaltung komplex ist, kann sie den spezifizierten Harmonischenstrom vollständig eliminieren. Da viele Synchronmotoren heutzutage eine Schaltkreiserregung verwenden, ist dies leicht zu realisieren. 4. Fazit und Ausblick a. Synchronmotoren können zur Oberwellenkompensation eingesetzt werden. Ihre Oberwellenerregungsquellen lassen sich, ähnlich wie bei der Oberwellenkompensation mit leistungselektronischen Bauelementen, sowohl aktiv als auch passiv realisieren. b. Diese Lösung ist auf bestehende Synchronmotorsysteme anwendbar; lediglich entsprechende Modifikationen am Erregerkreis des Synchronmotors sind erforderlich, um Oberwellen bei gleichzeitiger Blindleistungskompensation zu kompensieren. Spezielle Synchrongeneratoren können zudem entwickelt werden, um eine umfassende Blindleistungs- und Oberwellenkompensation für das Stromnetz zu gewährleisten. c. Die Oberwellenkompensation mit Synchronmotoren befindet sich noch im Forschungs- und Versuchsstadium; es sind noch keine ausgereiften Produkte auf dem Markt. Weitere Forschung ist in Bereichen wie der Entwicklung spezieller Motoren und umfassender Methoden zur Oberwellen- und Blindleistungskompensation erforderlich. Referenzen: [1] Xu Yonghai, Xiao Xiangning, Yang Yihan, Chen Xueyun. Research on power systems. Journal of Electric Power Systems and Automation, Vol. 11, Nr. 3, August 1999. [2] Takase F, Tominaga M, Ueda Y, Temma T, Genji T, Oku K. Harmonische Kompensation mittels einer Synchronmaschine mit Resonanzfeldkreisen. IEEE Transactions on Energy Conversion, Band 122, Juni 1997, Seiten 143–150. [3] Abolhassani MT, Toliyat HA, Enjeti P. Ein elektromechanischer aktiver Oberwellenfilter. Konferenz über elektrische Maschinen und Antriebe, 2001. IEMDC 2001. IEEE International, 2001, Seiten 349–355. [4] Abolhassani MT, Toliyat HA, Enjeti P. Oberwellenkompensation mittels fortschrittlicher elektrischer Maschinen. Industrial Electronics Society, 2001. IECON 01. Die 27. Jahreskonferenz des IEEE, Band: 2, 29. November - 2. Dezember 2001.