Die Produktivität sichern

Gefährdete Netzversorgung in energieoptimierten Anlagen

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11.04.2016 Steigende Kosten für Energie, gesetzliche Regulierung zur Reduzierung des Energieverbrauchs, wachsender Einsatz von Leistungselektronik - eine Folgekette, die weitreichende Folgen für die Zuverlässigkeit der Netzversorgung haben kann.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Im industriellen Bereich, in dem alle Produktionsprozesse stufenlos regelbar sein müssen, werden weiterhin mit stark steigender Tendenz Antriebe mit Frequenzumrichter ausgerüstet, um die hohen Qualitätsanforderungen bei den Produkten zu gewährleisten und eine optimale Anlagenproduktivität zu erreichen.
  • Projektierer wie Anlagenbetreiber sind gut beraten, neben der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beim Einsatz moderner Elektronik zur Energieeinsparung auch die vorhandenen Netzverhältnisse nicht außer acht zu und sich zu dieser Fragestellung kompetent beraten zu lassen.

Langfristig steigende Kosten für Energie, gesetzliche Regulierung  zur CO2-Reduzierung, wachsender Einsatz von Leistungselektronik – eine Folgekette, die weitreichende Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit der Netzversorgung haben kann. Sie sorgt auch für die Notwendigkeit, bereits während der Planungsphase die zunehmende Belastung insbesondere durch Oberschwingungen individuell zu berücksichtigen.
Gewerbe und Industrie in Deutschland sind heutzutage nahezu flächendeckend mit PC und Datenverarbeitungsgeräten, sowie energiesparenden Beleuchtungssystemen ausgerüstet. In Büro- und Verwaltungsgebäuden findet man, neben der einphasigen Elektronik für PC, Energiespar- und Leuchtstofflampen in zunehmendem Maße auch im Drehstromnetz Leistungselektronik für die Regelung von Heizung, Lüftung und Klimatisierung oder aber auch für den Rückspeisebetrieb von Solarwechselrichtern. Im industriellen Bereich, in dem alle Produktionsprozesse stufenlos regelbar sein müssen, werden weiterhin mit stark steigender Tendenz Antriebe mit Frequenzumrichter ausgerüstet, um die hohen Qualitätsanforderungen bei den Produkten zu gewährleisten und eine optimale Anlagenproduktivität zu erreichen.

Entstehung von Netzrückwirkungen
Idealerweise sollte die gelieferte Netzspannung eine gleichförmige Sinusspannung konstanter Amplitude und Frequenz sein. Leider ist dies heute in unseren Netzen nicht mehr gegeben. Die Ursache liegt im nichtsinusförmigen Laststrom oben genannter, aber auch noch weiterer – elektronischer – Betriebsmittel. Diese verursachen Abweichungen von der idealen Sinusform; dies ist auch in gewissen Grenzen zulässig. Allerdings erreicht das Verhältnis der verzerrten Versorgungspannung in einigen Anlagen inzwischen ein Maß, das teilweise in den Bereich der zulässigen Grenzwerte kommt oder diese auch überschreitet. Dadurch können kritischen Zustände entstehen – mit spürbaren Auswirkungen für den Verbraucher in Bezug auf Produktionsstörungen und Geräteausfällen.
Diese Verzerrungen der Sinusform des Versorgungsnetzes nennen Fachleute niederfrequente Netzrückwirkung oder auch Oberschwingungen. Für die Beurteilung der Netzqualität betrachten sie typischerweise die Oberschwingungen der Grundschwingung 50 Hz bis 2,5 kHz, entsprechend der 50. harmonischen Oberschwingung. Als die Oberschwingungen mit den stärksten Auswirkungen gelten die der 3., 5. und 7. Ordnung, also die Frequenzen von 150, 250 und 350 Hz, jedoch können auch die Oberschwingungen höherer Ordnung immer noch erheblichen Einfluss haben.

Zu hohe Oberschwingungsbelastung und ihre Folgen
Anlagenbetreiber sind sich oft immer noch zu wenig über das Phänomen der Oberschwingungsbelastung und deren schwerwiegenden Auswirkungen bewusst. Und dies mit fatalen Folgen, denn die Überschreitung des Oberschwingungsanteils in der Netzspannung bewirkt, dass angeschlossene Betriebsmittel wie Computer und Regelgeräte oder auch Beleuchtungseinrichtungen nicht mehr konstant einwandfrei funktionieren oder sogar einzelne Verbraucher scheinbar ohne logische Erklärung vorzeitig und vielleicht sogar regelmäßig ausfallen. Weitere Auswirkungen sind: erhöhte Belastung bis hin zur Zerstörung von Blindleistungskompensationsanlagen, steigende Verlustleistung in Trafo und Versorgungsnetz mit erhöhtem Energieverbrauch als Folge, Über dimensi-
onieren von Netzkomponenten wie Trafo oder Leitungen und eingeschränkte Funktionssicherheit und Einsatzdauer von Netzkomponenten und angeschlossenen Verbrauchern.
Eine zu hohe Oberschwingungsbelastung des Netzes birgt somit erhebliche Nachteile. Eine Ursache liegt darin, dass bestehende Übertragungsnetze und darin eingebundene Transformatoren oder auch Kompensationsanlagen in der Industrie nicht für eine höhere Oberschwingungsbelastung berechnet und ausgelegt wurden. Und auch heute berücksichtigen Anlagenplaner diese Thematik manchmal nicht ausreichend oder passend.

Die Netzqualität schützen
Dabei lassen sich Netzrückwirkungen elektronischer Verbraucher bereits an der Entstehungsquelle im Gerät sehr wirkungsvoll reduzieren. Beispielsweise können in Frequenzumrichtern integrierte Netzrückwirkdrosseln die Belastung bereits zu einem großen Anteil verringern. Sollte diese relativ einfache und robuste Maßnahme nicht ausreichend sein, kann der Einsatz zusätzlicher passiver oder aktiver Technologien notwendig werden. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Netzspannungsqualität bereits durch weitere nichtlineare Verbraucher schon zu stark belastet ist oder eine verhältnismäßig große Anzahl leistungselektronischer Geräte zum Einsatz kommt.
Vor der Auswahl von Maßnahmen sollte sich der Anwender zunächst eine genaue Übersicht über Netztopologie, Impedanzen sowie den Platzverhältnissen in Haupt- bzw. Unterverteilungen erstellen. Darüber hinaus empfiehlt es sich, vor und nach der Umsetzung anhand von Netzmessungen die Spannungsqualität und die Oberschwingungsanteile bei den unterschiedlichen Netzauslastungen zu analysieren.
Mögliche Maßnahmen lassen sich in passive und aktive Technologien unterscheiden. Zu den passiven zählen beispielsweise passive Oberschwingungsfilter oder auch Umrichter in 12- oder 18-Puls Schaltung. Zu den aktiven Maßnahmen zählen Umrichter mit gesteuerten Eingangsbrücken (oft auch Active Front End genannt) oder aktive (elektronische) Filtersysteme. Häufig werden Antriebe die solche Techniken enthalten auch als „Low Harmonic Drive“ bezeichnet. In diesem Fall sollte man hinterfragen, ob und welche passive oder aktive Maßnahme integriert wurde.
Passive Oberschwingungsfilter bestehen aus LC-Beschaltungen, die auf mehrere Oberschwingungsfrequenzen wirken. Je nach erforderlicher Leistung erfolgt die Auslegung für den vollen Laststrom des Verbrauchers bzw. des Verteilungsabschnittes. Die robusten Filter sind in Reihe vor der zu bedämpfenden Leistungselektronik einzubauen. Durch die rein passiven Bauelemente ist ein Parametrieren nicht erforderlich. Probleme können eine zu große Anzahl oder eine schlechte Abstimmung von passiven Filtern im Netz bereiten (Gefahr von Resonanzen), oder wenn diese größtenteils mit niedriger Teillast betrieben werden. Letzteres kann zu einem deutlich erhöhtem kapazitiven Stromanteil führen, was sich jedoch bei moderneren Filter-Generationen durch lastabhängiges Wegschalten der Filter-Kondensatoren vermeiden lässt
Antriebe mit gesteuertem Eingangsgleichrichter werden in der Regel mit einem zusätzlichen LCL-Filter ausgestattet, der vor dem Gleichrichter sitzt. Sie reduzieren die Oberschwingungen bis zur 50. Ordnung im gesamten Last-/Drehzahlbereich sehr wirkungsvoll, können aber eventuell Störungen durch die zusätzlich entstehenden Schaltfrequenz oberhalb von 2,5 kHz erzeugen. Der Laststrom muss stets durch den voll gesteuerten Gleichrichter und LCL-Filter geschoben werden. Dadurch ist der Wirkungsgrad auch im motorischen Betrieb schlechter als bei einem Antrieb mit ungesteuerter Diodenbrücke. Wenn das Gerät dafür vorgesehen wurde, können solche Antriebe generatorische Energie in das Netz zurückspeisen. Auch kann die Zwischenkreisspannung des Umrichters etwas höher gestellt werden; dies kann Vorteile bei Anlagen mit niedriger Eingangsspannung oder sehr langen Motorkabeln bedeuten.
Aktive Filter berechnen auf Basis einer sehr schnellen Messung der Netzströme die Komplementäre zu den aktuellen Oberschwingungen. Anschließend speisen sie, einer aktiven Stromquelle gleich, gezielt einen entsprechend komplementären Strom so ein, dass sich durch Auslöschung in der Summe wieder eine sinusförmige Stromform ergibt. Die Ankopplung an das Netz erfolgt, ähnlich wie beim gesteuerten Eingangsgleichrichter mittels LCL-Koppelfilter der allerdings deutlich kleiner ausfällt, da das Filter parallel angeordnet ist und nur die Oberschwingungsströme führen muss. Aufgrund des Funktionsprinzips lassen sich aktive Filter sehr flexibel an unterschiedlichen Stellen im Netz einsetzen. So müssen sie nicht zwingend in unmittelbarer Nähe zu einem bestimmten Verbraucher installiert sein, sondern lassen sich an beliebigen Stellen ankoppeln und auch zur Gruppenkompensation verwenden. Ein aktives Filter kann darüber hinaus auch den Cos Phi regeln oder einzelne Oberschwingungen beliebiger Ordnung skalieren und damit optimal an die jeweiligen Anlagengegebenheiten.

Es gibt keine Universallösung
Jede der drei beschriebenen Möglichkeiten ist entsprechend den Randbedingungen eine wirksame Maßnahme zur Begrenzung von Oberschwingungen und hat ihre Vorteile in spezifischen Einsatzbereichen bewiesen. Alle sind gleichermaßen bewährt wie robust, allerdings nicht immer mit vergleichbarem finanziellen Aufwand und technischen Nutzen. Welche dieser drei aufgeführten Maßnahmen nun letztendlich die Beste ist oder ob passive oder aktive Maßnahmen generell vorteilhaft sind, lässt sich nicht pauschal beantworten, sondern ist immer abhängig von der jeweiligen Anlagenarchitektur und den darin enthaltenen Betriebsmitteln und Gerätearten.
Projektierer wie Anlagenbetreiber sind gut beraten, neben der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beim Einsatz moderner Elektronik zur Energieeinsparung auch die vorhandenen Netzverhältnisse nicht außer acht zu lassen, sich im gegebenen Fall kompetent beraten zu lassen und neben dem Grenzwert auch eine für die Anlage sinnvolle Technologie zur Begrenzung der Oberwellen-Emission vorzuschreiben, damit ein dauerhaft zuverlässiger Anlagenbetrieb gewährleistet bleibt.l

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Heftausgabe: April 2016

Über den Autor

Christian Mieslinger, Leiter Abteilung EMV & Clean Grid Solutions, Danfoss VLT Antriebstechnik
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