Oberschwinge, Leistungsfaktor und THDi beim Laden von Elektrofahrzeugen

Ein DC-Ladegerät präsentiert sich dem Netz als große, nichtlineare Last. Sie zieht keinen Strom proportional zur Spannungswellenform; Er schaltet, richtet und reguliert, und der Strom, den er zieht, hat eine eigene Form. Alles, was in diesem Subjekt folgt, ist eine Folge dieser Form.

Der Wortschatz ist klein, wird aber häufig falsch verwendet. Totale harmonische Verformung und totale harmonische Verzerrung des Stroms sind unterschiedliche Messwerte für unterschiedliche Dinge. Der Leistungsfaktor hat zwei Definitionen, die unterschiedliche Zahlen für dasselbe Gerät liefern. Zu wissen, welcher welcher ist, macht aus einem Datenblatt-Zeilenpunkt eine Spezifikation, die man tatsächlich überprüfen kann.

Warum ein Gleichrichter einen nicht-sinusförmigen Strom zieht

Ein einfacher Gleichrichter leitet nur, wenn die eingehende Spannung die Spannung auf seiner Gleichstromseite übersteigt. Der Strom fließt in kurzen Pulsen um die Spitzen der Versorgungswellenform, anstatt über den gesamten Zyklus gleichmäßig zu verlaufen. Diese Impulse enthalten die Energie, die die Last benötigt, und enthalten auch Frequenzen, die ein Vielfaches der Versorgungsfrequenz sind. Diese Vielfachen sind die Obertöne.

Moderne Ladegeräte fügen eine Korrekturstufe vor den Gleichrichter hinzu. Er formt den Eingangsstrom so, dass er der Spannungswelle folgt, was die Oberschwingungen erheblich reduziert. Deshalb ist das Thema weniger wichtig als bei älteren Geräten und ist es immer noch wichtig: Die Korrektur ist unvollkommen und muss über den gesamten Lastbereich gehalten werden, nicht nur am Designpunkt.

Wo die Korrektur schlecht ausgeführt oder bei geringer Last ausgelöst wird, kehren die Obertöne zurück. Ein Standort, der viele Geräte mit niedriger Leistung betreibt, kann daher eine stärkere Stromverzerrung zeigen als derselbe Standort mit weniger Einheiten bei hoher Ausgangsleistung, was kontraintuitiv ist und bei der Inbetriebnahme häufig übersehen wird.

THD und THDi sind nicht dieselbe Zahl

Totale harmonische Verzerrung, ohne Index geschrieben, bezieht sich üblicherweise auf die Spannung. Sie beschreibt, wie weit die Versorgungsspannungswellenform von einem reinen Sinus entfernt ist. Die totale harmonische Verzerrung des Stroms, geschrieben mit i, beschreibt die Form des Stroms, den das Gerät zieht.

Die beiden sind verwandt, aber nicht austauschbar, und die Beziehung hängt von der Impedanz der Versorgung ab. Ein Ladegerät mit hoher Stromverzerrung, das an eine steife Versorgung angeschlossen ist, erzeugt nur eine geringe Spannungsverzerrung. Dasselbe Ladegerät an einem schwachen Netzteil am Ende eines langen Kabels erzeugt ein viel größeres. Deshalb kann ein Produkt seine Stromverzerrungszahl erreichen und trotzdem ein Spannungsproblem an einer bestimmten Stelle verursachen.

Die praktische Regel ist, dass die Gerätespezifikation beschreibt, was die Ausrüstung tut, und die Standortuntersuchung beschreibt, was die Stätte erlebt. Ein Zitat, das nur eine der beiden Zahlen auflistet, beantwortet die Hälfte der Frage.

Zwei Definitionen des Leistungsfaktors

Potenzfaktor ist reelle Potenz geteilt durch scheinbare Potenz. Wenn sowohl Spannung als auch Strom sinusförmig sind, entspricht dieses Verhältnis dem Kosinus des Phasenwinkels zwischen ihnen, und die beiden Definitionen stimmen überein. Wenn der Strom verzerrt ist, divergern sie.

Verschiebungsleistungsfaktor berücksichtigt nur die grundlegenden Komponenten und ignoriert Verzerrungen. Der wahre Leistungsfaktor, manchmal auch Gesamtleistungsfaktor genannt, beinhaltet die Verzerrung und ist daher niedriger. Eine Einheit kann einen Verdrängungsleistungsfaktor sehr nahe an einer Einheit angeben, während ihr tatsächlicher Leistungsfaktor signifikant niedriger ist, und der Unterschied wird von harmonischen Strömen getragen, die noch durch die Versorgung fließen müssen.

Diese Unterscheidung ist sowohl am Zähler als auch am Transformator wichtig. Das Versorgungsunternehmen berechnet nach dem tatsächlichen Stromfaktor, unabhängig davon, ob es so genannt wird oder nicht. Ein Spezifikationsblatt, das den Verdrängungsleistungsfaktor angibt, ist nicht falsch, beantwortet aber eine andere Frage als die, die der Gesetzentwurf stellt.

Was Obertöne mit Transformatoren und Neutralleitern machen.

Harmonische Ströme verursachen zusätzliche Verluste in einem Transformator über die ursprünglich entwickelten Verluste hinaus. Wirbelströme im Kern und Hauteffekt in den Wicklungen nehmen beide mit der Frequenz zu, sodass ein verzerrter Strom einen Transformator stärker erhitzt als ein sinusförmiger Strom mit demselben Mittelwert. Die praktische Folge ist eine Wertminderung: Ein Transformator, der eine stark verzerrende Last versorgt, kann seine Namenskapazität nicht liefern, ohne seine Temperaturgrenzen zu überschreiten.

Der Neutralleiter ist das zweite und überraschendere Problem. In einem ausgeglichenen Dreiphasensystem mit linearen Lasten heben die Grundströme im Neutralleiter auf, sodass er fast nichts transportiert. Triplen-Obertöne – die Terz, Neunte und Fünfzehnte – werden nicht aufgehoben. Sie fügen den Neutralleiter hinzu, der am Ende mehr Strom führen kann, als ein einphaseniger Leiter eigentlich verarbeiten könnte.

Auf einem Ladestandort ist dies selten die Bindungsbedingung, da Ladegeräte üblicherweise Dreiphasenlasten mit effektiver Korrektur sind. Es wird relevant, wenn einphasige Klimaanlagen in größerer Stückzahl auf einer gemeinsamen Verteilertafel installiert werden, was genau das ist, was Arbeits- und Wohnparkplätze tun.

Der dritte Effekt betrifft die Versorgungsspannung selbst und darüber alles andere auf der Baustelle. Verzerrte Spannung verursacht zusätzliche Erwärmung in Motoren, kann empfindliche Geräte stören und kann dazu führen, dass Schutzrelais unerwartet arbeiten. Das ist der Grund, warum ein Nachbarmieter sich über eine Ladegerätinstallation beschweren kann, die scheinbar ordnungsgemäß funktioniert.

Wann eine Seite neu vermessen sollte

Eine bei der Inbetriebnahme vorgenommene Maßnahme beschreibt das Gelände, wie es gebaut wurde. Fünf Situationen rechtfertigen eine weitere Situation.

Wenn Ladegeräte hinzugefügt werden, weil die Verzerrung der Seite mit der Anzahl der angeschlossenen Gleichrichter skaliert. Wenn die Versorgung gewechselt wird, da ein anderer Transformator oder ein längeres Kabel die Impedanz und damit die Spannungsverzerrung für dieselbe Stromverzerrung verändert. Wenn andere Geräte auf dem Gelände anfangen, sich schlecht zu verhalten, denn das ist das Symptom, das das Gebäude zuerst bemerkt. Wenn das Versorgungsunternehmen am Anschlusspunkt eine Frage stellt, bedeutet das in der Regel, dass eine Messung angefordert wird und nicht angeboten wird. Und wenn sich das Nutzungsmuster eines Standorts verschiebt, da der Betrieb mit geringer Last eine andere Verzerrung als im Konstruktionsfall verursachen kann.

Die Messung selbst hat eine Anforderung, die oft übersehen wird: Sie muss unter bekannter Last durchgeführt werden. Eine Messung, die mit einem Ladegerät bei niedriger Leistung durchgeführt wurde, sagt fast nichts über den Standort in der Spitzenzeit. Der nützliche Datensatz gibt die Anzahl der Einheiten in der Sitzung, deren kombinierte Leistung und den Punkt in der Installation an, an dem das Instrument angeschlossen wurde.

Was man in eine Spezifikation eingeben sollte

Drei Details machen eine Marketingzahl zu einer überprüfbaren Anforderung.

Zuerst den Lastpunkt nennen. Verzerrung und Leistungsfaktor variieren je nach Ausgang, daher ist eine Zahl ohne angegebene Last keine Spezifikation. Zweitens: Angeben, welche Definition des Potenzfaktors gemeint ist, Verschiebung oder wahr. Drittens: Angeben, ob die Stromverzerrungszahl an den Anschlüssen einer einzelnen Einheit oder am Anschlusspunkt des Standorts gemessen wird, da es sich dabei um unterschiedliche Messungen mit unterschiedlichen Werten handelt.

Produkte dieser Klasse geben ihre Zahlen typischerweise bei Nennlast an, was der Zustand ist, unter dem die Korrekturphase am härtesten arbeitet und die Zahlen am besten aussehen. Eine DC-Einheit, die einen Leistungsfaktor von 0,99 oder mehr angibt und bei voller Last eine Stromverzerrung von oder weniger als fünf Prozent angibt, beschreibt ein gut korrigiertes Design; Der 120 und 180 kW Stationen sowie die 480 kW Hub-Hosts geben aus diesem Grund ihre Zahlen bei voller Last an.

Die Frage, die es wert ist, einem Tender hinzuzufügen, ist, was unter voller Last passiert. Eine Korrekturstufe, die ihre Leistung über die gesamte Bandbreite hält, ist ein anderes Design als eines, das die Zahl oben erreicht und darunter abschwächt, und der Unterschied zeigt sich an Stellen, an denen Fahrzeuge den Großteil einer Sitzung mit Teilleistung verbringen.

Bei den meisten Installationen ist das alles kein Problem. Korrekturstufen sind effektiv, und ein gut gestalteter Standort mit ausreichender Transformatorkapazität absorbiert die Restverzerrung problemlos. Die Ausnahmen konzentrieren sich auf drei Stellen: große Standorte mit vielen Einheiten auf einem Transformator, Standorte mit erheblicher Einphasen-Wechselstromlast auf gemeinsamen Platinen und Standorte am Ende einer langen oder schwachen Versorgung, wo die Impedanz die Leistungen der Ladegeräte verstärkt.

Diese drei Fälle sollten identifiziert werden, bevor das Design festgesetzt wird, da die Lösungen – ein größerer Transformator, aktive Filterung, eine andere Verteilungsanordnung – alle günstiger zu planen als nachträglich sind. Das Messprotokoll und die angeforderten Abbildungen sind in der technischen Dokumentation zusammengefasst: Download-Seite.