AC-Filterkondensatoren für Leiterplatten: Wie lassen sich Oberschwingungsverluste wirksam reduzieren und die Energieeffizienz von Stromversorgungssystemen verbessern?

AC-Filterkondensator für Leiterplatte

Harmonische als Strom- oder Spannungskomponenten mit Frequenzen, die höher als die Grundfrequenz in Energiesystemen sind, werden hauptsächlich von nichtlinearen Lasten (wie Gleichrichtern, Wechselrichtern, Frequenzumrichtern und anderen leistungselektronischen Geräten) erzeugt. Diese nichtlinearen Lasten wandeln im Betrieb Gleichstrom in Wechselstrom um oder umgekehrt und erzeugen dadurch Oberschwingungen im Stromnetz. Das Vorhandensein von Oberschwingungen hat viele Auswirkungen auf das Energiesystem:
Erhöhte Transformatorverluste: Wenn Oberschwingungsströme durch Transformatoren fließen, wird im Eisenkern ein zusätzlicher magnetischer Fluss erzeugt, was zu erhöhten Eisenverlusten führt. Gleichzeitig erzeugen Oberschwingungsströme auch zusätzliche Widerstandsverluste, also Kupferverluste, in den Wicklungen. Diese Verluste verringern nicht nur die Effizienz des Transformators, sondern können auch seine Alterung beschleunigen und seine Lebensdauer verkürzen.
Geräteausfälle verursachen: Harmonische Ströme können eine Überhitzung von Leistungsgeräten (wie Kondensatoren, Motoren usw.) verursachen, was zu einer Alterung der Isolierung, Wicklungskurzschlüssen und anderen Fehlern führt. Darüber hinaus können Oberwellen auch Schwankungen und Flackern der Netzspannung verursachen und so die Stromqualität der Stromverbraucher beeinträchtigen.
Beeinträchtigung von Kommunikationssystemen: Harmonische Ströme können durch elektromagnetische Induktion auch benachbarte Kommunikationssysteme stören, was zu einer Verschlechterung der Kommunikationsqualität oder sogar zu einer Kommunikationsunterbrechung führen kann.

Angesichts verschiedener Probleme, die durch Oberschwingungen verursacht werden, sind AC-Filterkondensatoren mit ihren einzigartigen Filtereigenschaften zu einem wirksamen Mittel zur Oberschwingungskontrolle geworden. Das Funktionsprinzip von Wechselstrom-Filterkondensatoren basiert auf ihren Kapazitätseigenschaften, d. h. die Impedanz der Kondensatoren gegenüber Wechselstrom nimmt mit zunehmender Frequenz ab. Wenn daher harmonische Ströme durch Kondensatoren fließen, weisen die Kondensatoren eine niedrigere Impedanz auf, da ihre Frequenz viel höher als die Grundwelle ist, wodurch diese Hochfrequenzkomponenten effektiv absorbiert oder umgangen werden und ihre Interferenz mit dem Stromnetz verringert wird.

In Stromversorgungssystemen werden AC-Filterkondensatoren normalerweise in Kombination mit induktiven Komponenten (z. B. Drosseln) verwendet, um verschiedene Arten von Filtern (z. B. LC-Filter) zu bilden. Diese Filter können den Oberwellenunterdrückungseffekt innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs genau steuern, Oberwellen höherer Ordnung im Stromnetz effektiv herausfiltern und die Stromqualität verbessern.

Spezifische Anwendungen zur Reduzierung von Oberschwingungsverlusten und zur Verbesserung der Energieeffizienz
Reduzierung der Transformatorverluste: Durch den Einbau von AC-Filterkondensatoren können die Eisenverluste und Kupferverluste von Oberschwingungsströmen an Transformatoren deutlich reduziert werden. Die Reduzierung des Oberschwingungsstroms führt dazu, dass die vom Transformator während des Betriebs zusätzlich erzeugte Wärme reduziert wird, wodurch der Temperaturanstieg des Transformators verringert und seine Lebensdauer verlängert wird. Gleichzeitig wird durch die Reduzierung der Oberschwingungsverluste der Wirkungsgrad des Transformators verbessert und auch die Energieeffizienz des gesamten Stromnetzes verbessert.
Reduzierte Geräteausfallrate: AC-Filterkondensatoren reduzieren den Ausfall von Stromversorgungsgeräten, der durch Überhitzung, Alterung der Isolierung und andere Gründe verursacht wird, indem sie Oberschwingungsströme unterdrücken. Dies reduziert nicht nur die Wartungskosten der Ausrüstung, sondern verbessert auch die Stabilität und Zuverlässigkeit des Energiesystems.
Verbesserte Qualität des Stromnetzes: Die Reduzierung des Oberschwingungsstroms trägt dazu bei, die Wellenform der Netzspannung zu verbessern und Spannungsschwankungen und Flicker zu reduzieren. Dies verbessert nicht nur die Stromqualität der Stromverbraucher, sondern trägt auch dazu bei, andere empfindliche Geräte im Stromnetz vor harmonischen Störungen zu schützen.
Wirtschaftliche Vorteile einer verbesserten Energieeffizienz: Durch den Einbau von AC-Filterkondensatoren werden die Oberschwingungsverluste im Stromnetz deutlich reduziert und dadurch die Energieeffizienz des Gesamtsystems verbessert. Dies trägt nicht nur dazu bei, Energieverschwendung zu reduzieren und die Stromkosten zu senken, sondern bringt auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile für Energieversorger und Nutzer mit sich.

Obwohl AC-Filterkondensatoren erhebliche Vorteile bei der Reduzierung von Oberschwingungsverlusten und der Verbesserung der Energieeffizienz von Stromversorgungssystemen gezeigt haben, stehen ihr Design und ihre Anwendung auch vor einigen technischen Herausforderungen:
Präzises Design von Filtern: Um die Filterwirkung sicherzustellen, muss der Filter präzise entworfen werden, einschließlich der Auswahl geeigneter Kondensator- und Reaktorparameter, der Optimierung der Filterstruktur usw. Dies erfordert von den Designern fundierte Kenntnisse der Leistungselektronik und umfangreiche praktische Erfahrung .
Temperaturbeständigkeit von Kondensatoren: In Stromversorgungssystemen müssen Kondensatoren hohen Betriebstemperaturen und Spannungsbelastungen standhalten. Daher ist es notwendig, Kondensatormaterialien mit hoher Temperaturbeständigkeit und guten elektrischen Eigenschaften auszuwählen, um einen langfristig stabilen Betrieb zu gewährleisten.
Fernüberwachung und intelligente Anpassung von Filtern: Mit der Entwicklung der Smart-Grid-Technologie sind Fernüberwachung und intelligente Anpassung von Filtern zu neuen Anforderungen geworden. Durch die Integration von Sensoren und Kommunikationstechnologien können der Betriebsstatus und die Filterwirkung des Filters in Echtzeit überwacht und eine intelligente Anpassung entsprechend den Anforderungen des Stromnetzes durchgeführt werden, um die Filtereffizienz und Energieeffizienz weiter zu verbessern.